具有帶有復(fù)合角、不對稱表面面積密度脊和槽樣式的耐磨層的渦輪環(huán)形節(jié)段的制作方法
【專利摘要】渦輪殼體耐磨部件，具有耐磨表面（1300），所述耐磨表面（1300）帶有由一對前線性節(jié)段部分和后線性節(jié)段部分（1302A、1302B）限定的槽和脊（1302）構(gòu)成的復(fù)合角平面形態(tài)圖案，所述前線性節(jié)段部分和后線性節(jié)段部分（1302A、1302B）由過渡部分（1302T）連結(jié)。所述前線性節(jié)段部分中的前脊具有比所述后線性節(jié)段部分中的后脊更大的表面面積密度，以補償在發(fā)動機操作期間前區(qū)中的更大脊腐蝕并且減小后區(qū)中的葉片尖端磨損。一些耐磨部件實施例通過結(jié)合比后區(qū)中的脊更寬的脊來增加前區(qū)脊的表面面積密度。
【專利說明】具有帶有復(fù)合角、不對稱表面面積密度脊和槽樣式的耐磨層的渦輪環(huán)形節(jié)段
[0001]相關(guān)申請的優(yōu)先權(quán)聲明和交叉引用
本申請主張以下美國專利申請案的優(yōu)先權(quán)，所有這些申請案均于2014年2月25日提交，并且其中的每一個的全部內(nèi)容均通過引用并入本文:
指定的序列號為 14/189,081 的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ZIG-ZAG GROOVEPATTERN”；
指定的序列號為 14/189,035的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ASYMMETRIC RIDGESOR GROOVES” ；以及
指定的序列號為 14/188,992的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEARZONE TERRACED RIDGES”。
[0002]同時提交的案卷編號為2015P01174W0的名稱為“TURBINEABRADABLE LAYER WITHINCLINED ANGLE SURFACE RIDGE OR GROOVE PATTERN”的國際專利申請案，且其指定的序列號(未知)被識別為相關(guān)的申請并且通過引用并入本文。
[0003]以下美國專利申請案于2014年2月25日同時提交并且出于對目前提交的申請案進行審查的目的被識別為相關(guān)申請案，以下申請案中的每一個的全部內(nèi)容通過引用并入本文:
指定的序列號為 14/188,813的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEARZONE MULTI DEPTH GROOVES”；
指定的序列號為 14/188,941 的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEARZONE HAVING A FRANGIBLE OR PIXELATED NIB SURFACE”；
指定的序列號為 14/188,958的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEARZONE MULTI LEVEL RIDGE ARRAYS”；以及
指定的序列號為 14/189,011 的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH NESTED LOOPGROOVE PATTERN”。
【背景技術(shù)】
[0004]1.發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及用于渦輪發(fā)動機(包括燃氣或者蒸汽渦輪發(fā)動機)的耐磨表面、含有這種耐磨表面的發(fā)動機，以及用于減小發(fā)動機葉片尖端磨損和葉片尖端泄漏的方法。更具體地，本發(fā)明的各種實施例涉及具有不對稱的首尾向脊表面面積密度的耐磨表面，并且前脊具有比后脊更大的表面面積密度以補償發(fā)動機操作期間前區(qū)中的更大的脊腐蝕和在后區(qū)中減小葉片尖端磨損。
[0005]2.現(xiàn)有技術(shù)的描述
已知渦輪發(fā)動機(包括燃氣渦輪發(fā)動機和蒸汽渦輪發(fā)動機)含有軸裝式渦輪葉片，渦輪葉片由渦輪殼體或者外殼周向地圍繞。流過渦輪葉片的熱氣體引起葉片旋轉(zhuǎn)，葉片旋轉(zhuǎn)將熱氣體內(nèi)的熱能轉(zhuǎn)換為機械功，其可用于向諸如發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)機械提供動力。參照圖1至圖6，諸如燃氣渦輪發(fā)動機80的已知渦輪發(fā)動機包括:多級壓縮機部段82、燃燒器部段84、多級渦輪部段86和排氣系統(tǒng)88。大氣壓力進氣空氣通常沿渦輪發(fā)動機80的軸向長度的流動箭頭F的方向被抽入壓縮機部段82中。進氣空氣通過多排旋轉(zhuǎn)壓縮機葉片在壓縮機部段82中被逐步地加壓，并且由相配的壓縮機導葉引導至燃燒器部段84，在該處其與燃料混合并且被點燃。點燃的燃料/空氣混合物現(xiàn)在處于比原始進氣空氣更大的壓力和速度下，且被引導至渦輪部段86中的相繼排仏、1?2等。發(fā)動機的轉(zhuǎn)子和軸90具有多排翼型橫截面形渦輪葉片92，其在壓縮機部段82和渦輪部段86中終止于葉片尖端94遠端。為了方便和簡潔，關(guān)于發(fā)動機中的渦輪葉片和耐磨層的進一步討論將集中于渦輪部段86的實施例和應(yīng)用，盡管類似的結(jié)構(gòu)也可適用于壓縮機部段82。每個葉片92均具有凹形輪廓高壓側(cè)96和凸形低壓側(cè)98。沿燃燒流動方向F流動的高速和高壓燃燒氣體使得葉片92旋轉(zhuǎn)運動，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。如眾所周知的，施加在轉(zhuǎn)子軸上的一些機械功率可用于執(zhí)行有用功。燃燒氣體在轉(zhuǎn)子遠端由渦輪殼體100徑向地約束，且在轉(zhuǎn)子近端由空氣密封件102徑向地約束。參照圖2中示出的第I排部段，相應(yīng)的上游導葉104和下游導葉106引導上游燃燒氣體使其大體上平行于渦輪葉片92的前緣的入射角并且重新引導下游燃燒氣體離開葉片的后緣。
[0006]接近葉片尖端94的渦輪發(fā)動機80的渦輪殼體100布有多個扇形耐磨部件110，每個扇形耐磨部件110均具有支撐表面112和耐磨基底120，支撐表面112固持在殼體內(nèi)并且聯(lián)接至殼體，耐磨基底120由葉片尖端間隙G與葉片尖端成相對的間隔開的關(guān)系。耐磨基底通常由金屬/陶瓷材料構(gòu)造，該金屬/陶瓷材料具有高耐熱性和耐熱腐蝕性，并且在高燃燒溫度下維持結(jié)構(gòu)完整性。由于耐磨表面120的金屬陶瓷材料通常比渦輪葉片尖端94的材料更加粗糙，因此維持葉片尖端間隙G以避免兩個相對的部件之間的接觸，該接觸可能最好地引起過早的葉片尖端磨損，并且在更糟的情況下情形可能引起發(fā)動機損壞。一些已知的耐磨部件110是用整塊金屬/陶瓷耐磨基底120構(gòu)造。其它已知的耐磨部件110用復(fù)合材料基體復(fù)合材料(CMC)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，該復(fù)合材料基體復(fù)合材料(CMC)結(jié)構(gòu)包括陶瓷支撐表面112，由更小的顆粒陶瓷填料包圍的多層密堆積中空陶瓷球形顆粒構(gòu)成的脆性分段絕緣(FGI)粘接至該陶瓷支撐表面112，如在美國專利N0.6，641，907中所描述的那樣。具有不同性質(zhì)的球形顆粒在基底120中分層，并且大體上更易耐磨的球形成上層以減小葉片尖端94的磨損。美國專利公開N0.2008/0274336中描述了另一種CMC結(jié)構(gòu)，其中，該表面包括在中空陶瓷球之間的切槽樣式。該槽旨在減小耐磨表面材料的橫截面面積以減小潛在的葉片尖端94的磨損(如果它們與耐磨表面接觸)。其它眾所周知的耐磨部件110由金屬基部層支撐表面112構(gòu)造，形成耐磨基底層120的熱噴涂的陶瓷/金屬層被施加于該金屬基部層支撐表面112。如將更加詳細地描述的，該熱噴涂的金屬層可以包括槽、凹陷或者脊，以減小耐磨表面材料橫截面以便減小潛在的葉片尖端94的磨損。
[0007]除了期望防止葉片尖端94過早磨損或者與耐磨基底120接觸(如圖3中所示)之外，為了理想的氣流和功率效率，每個相應(yīng)葉片尖端94均期望地具有相對于耐磨部件110的均勻的葉片尖端間隙G，該葉片尖端間隙G盡可能地小(理想地為零空隙)以使高壓葉片側(cè)96與低壓葉片側(cè)98之間的(以及軸向地沿燃燒流動方向F)葉片尖端氣流泄漏L最小化。然而，制造和操作權(quán)衡需要葉片尖端間隙G大于零。這種權(quán)衡包括相互作用的部件的容差疊加，使得以可接受徑向長度容差的更高端構(gòu)造的葉片與以可接受徑向容差的更低端構(gòu)造的耐磨部件耐磨基底120在操作期間不過度地彼此影響。類似地，在發(fā)動機組裝期間出現(xiàn)的小機械調(diào)準差異能夠引起葉片尖端間隙的局部變化。例如，在軸向長度為數(shù)米且具有幾米的渦輪殼體耐磨基底120內(nèi)徑的渦輪發(fā)動機中，非常小的機械調(diào)準差異就能夠?qū)е聰?shù)毫米的局部葉片尖端間隙G變化。
[0008]在渦輪發(fā)動機80的操作期間，渦輪發(fā)動機殼體100可經(jīng)歷如圖4和圖6中示出的失圓(例如，卵形)熱變形。當發(fā)動機被點燃以生成功率并且隨后被冷卻以便在數(shù)千小時的發(fā)電之后進行維護時，殼體100的熱變形可能在渦輪發(fā)動機80的操作周期之間增加。通常，如圖6中所示，與右側(cè)周向位置124和左側(cè)周向位置128(即，3:00和9:00)相比，殼體100和耐磨部件110的更大的變形傾向于發(fā)生在最上部殼體周向位置122和最下部殼體周向位置126(SP，6:00位置和12:00位置)。如果，例如圖4中所示，6:00位置處的殼體變形引起葉片尖端與耐磨基底120接觸，則一個或多個葉片尖端可以在操作期間被磨損，從而在渦輪殼體100的各種其它變形更小的周向部分中使葉片尖端間隙局部地從理想間隙G增加至如圖5中示出的更大間隙Gw。過大的葉片間隙Gw變形使葉片尖端泄漏L增加，從而將熱燃燒氣體轉(zhuǎn)向遠離渦輪葉片92的翼面，由此減小渦輪發(fā)動機的效率。
[0009]過去利用平坦的耐磨表面基底120并且保守地選擇葉片尖端間隙G的規(guī)格以提供至少最小的總空隙，從而防止葉片尖端94與耐磨表面基底在廣泛的渦輪部件制造容差疊加、組裝調(diào)準差異和熱變形下進行接觸。因此，為避免尖端/基底接觸而選擇的相對寬的保守間隙G的規(guī)格犧牲了發(fā)動機效率。提高發(fā)動機效率以便節(jié)約燃料的商業(yè)期望驅(qū)使葉片尖端間隙G的規(guī)格向更小的規(guī)格發(fā)展:優(yōu)選地不大于2毫米且期望地接近I毫米。
[0010]為了減小葉片尖端/基底接觸的可能性，已經(jīng)用三維平面形態(tài)輪廓(諸如圖7和圖11中所示)來構(gòu)造包括帶有熱噴涂的金屬/陶瓷耐磨表面的金屬基部層支撐部的耐磨部件。圖7和圖10的示例性已知耐磨表面部件130具有金屬基部層支撐部131以便聯(lián)接至渦輪殼體100，已經(jīng)通過已知的沉積或者燒蝕材料工作方法將熱噴涂的金屬/陶瓷層沉積在金屬基部層支撐部131上并且形成為三維脊和槽輪廓。具體地，在這些引述的圖中，多個脊132分別具有相同的高度Hr的遠端脊尖端表面134，該遠端脊尖端表面134限定葉片尖端94與其之間的葉片尖端間隙G。每個脊還具有側(cè)壁135和136，該側(cè)壁135和側(cè)壁136從基底表面137延伸且限定連續(xù)脊的相對側(cè)壁之間的槽138。脊132排列成帶有在連續(xù)脊的中心線之間有平行的間隔Sr并且限定槽寬度WG。由于耐磨部件表面的對稱性，槽深度Dg與脊高度Hr相對應(yīng)。與耐磨的固體平滑表面相比，在葉片尖端間隙G變得很小以致于允許葉片尖端94與一個或多個尖端134接觸的情況中，脊132具有更小的橫截面和更有限的磨耗接觸。然而，與先前連續(xù)的平坦耐磨表面相比，相對高且間隔寬的脊132允許葉片泄漏L進入脊之間的槽138內(nèi)。為了減少葉片尖端泄漏L，脊132和槽138定向為沿燃燒流動的方向F(未示出)水平地取向或者對角地穿過耐磨表面137的寬度取向(如圖7中示出)，使得其將傾向于抑制泄漏。其它已知的耐磨部件140(在圖8中示出)具有以十字形樣式排列的槽148，從而形成帶有平坦等高脊尖端144的菱形脊平面形態(tài)142。額外的已知耐磨部件采用了如圖9和圖11中示出的三角圓形或者尖端平坦的三角形脊152。在圖9和圖11的耐磨部件150中，每個脊152均具有終止在平坦脊尖端154的對稱側(cè)壁155和156。所有脊尖端154均具有共同的高度Hr并且從基底表面157突出。槽158是彎曲的并且具有與葉片尖端94的脊線類似的平面形態(tài)輪廓。彎曲的槽158通常比圖7和圖8中示出的耐磨部件的線性槽138或者148更難以形成。
[0011]過去的耐磨部件設(shè)計需要在葉片尖端磨損與葉片尖端泄漏之間進行苛刻的折衷，其中葉片尖端磨損是由于葉片尖端與耐磨表面之間的接觸所導致的，葉片尖端泄漏使渦輪發(fā)動機操作效率減小。優(yōu)化發(fā)動機操作效率需要減小的葉片尖端間隙和光滑、一貫地平坦的耐磨表面拓撲結(jié)構(gòu)，以阻止通過葉片尖端間隙的空氣泄漏，從而改進初始發(fā)動機性能和節(jié)約能量。此外，為了增加燃氣渦輪的操作效率和靈活性，構(gòu)造了需要更快速的全功率增大(40至50 Mw/min的數(shù)量級)的所謂的“快速啟動”模式發(fā)動機。激進的增大速率激化了葉片尖端侵入環(huán)形節(jié)段耐磨涂層的更大可能性，這是由更快速的熱生長和機械生長、更高的變形以及旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間的生長速率更加不匹配所導致的。與僅針對“標準”啟動周期配置的發(fā)動機所需要的葉片尖端空隙相比，這相應(yīng)地需要在“快速啟動”模式發(fā)動機中有更大的渦輪尖端空隙，以避免過早的葉片尖端磨損。因此，在選擇設(shè)計時，需要平衡如下益處:更快速的啟動/更低操作效率、更大的葉片尖端間隙，或者標準啟動/更高操作效率、更小的葉片尖端間隙。傳統(tǒng)的標準或者快速啟動發(fā)動機需要不同的構(gòu)造以適應(yīng)兩種設(shè)計所需要的不同葉片尖端間隙參數(shù)。不管在標準配置還是快速啟動配置中，減小葉片尖端間隙以便優(yōu)化發(fā)動機效率最終會導致過早的葉片尖端磨損的風險，敞開葉片尖端間隙則最終會在發(fā)動機操作周期期間減小更長期的發(fā)動機性能效率。上述陶瓷基復(fù)合材料(CMC)耐磨部件設(shè)計旨在通過使用更軟的頂部耐磨層來緩和葉片尖端磨損，以維持氣流控制益處和平坦表面輪廓耐磨表面的小葉片尖端間隙。美國專利公開N0.2008/0274336的耐磨部件還旨在通過在上層中空陶瓷球之間包含槽來減小葉片尖端磨損。然而，槽的尺寸固有地受到密填間隔和球的直徑的限制以便防止球破碎。作為折衷方案，向熱噴涂的基底輪廓添加均勻高度的耐磨表面脊，以減小葉片尖端間隙，同時減小脊尖端與葉片尖端之間的潛在摩擦接觸表面面積，這減小了過早的葉片尖端磨損/葉片尖端間隙增加的可能性，但代價是進入脊之間的槽內(nèi)的葉片尖端泄漏增加。如上文指出的，已經(jīng)試圖通過改變脊陣列的平面形態(tài)取向來減小葉片尖端泄漏流動，以試圖阻擋或者以其它方式控制進入槽內(nèi)的泄漏氣流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的各種實施例的目的在于:盡管存在在一個或多個發(fā)動機操作周期期間由諸如部件容差疊加、組件調(diào)準差異、涉及葉片/殼體變形等的因素引起的局部變化，但仍以不會不適當?shù)匾疬^早的葉片尖端磨損的方式通過減小和控制葉片尖端間隙來提高發(fā)動機效率性能。
[0013]在耐磨表面和葉片尖端已經(jīng)彼此接觸的局部磨損區(qū)中，本發(fā)明的各種實施例的目的在于使葉片尖端磨損最小化，同時維持在這些區(qū)中的最小化的葉片尖端泄漏并且維持這些局部磨損區(qū)外側(cè)的相對窄的葉片尖端間隙。
[0014]本發(fā)明的其它實施例的目的在于:在不會不適當?shù)貙е逻^早葉片尖端磨損的風險的情況下，與已知耐磨部件的耐磨表面相比，減小葉片尖端間隙以增加渦輪操作效率，其中過早葉片尖端磨損可能由于局部葉片尖端/耐磨表面接觸區(qū)的可能增加的數(shù)量產(chǎn)生。
[0015]本發(fā)明的又一實施例的目的在于通過如下方式來減小葉片尖端泄漏:通過利用耐磨表面的脊和槽復(fù)合的各異的前后輪廓以及抑制葉片尖端泄漏和/或使葉片尖端泄漏轉(zhuǎn)向的平面形態(tài)陣列，同時在前區(qū)中提供更大的耐磨脊表面面積，以便補償發(fā)動機操作期間的耐磨表面腐蝕。
[0016]額外的實施例的目的在于提供槽通道，以便將磨耗的材料和其它顆粒物質(zhì)沿耐磨表面軸向地運輸通過渦輪，使得它們不影響或者以其它方式磨耗旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片。
[0017]在本發(fā)明的各種實施例中，渦輪殼體耐磨部件具有各異的前部上游和后部下游復(fù)合多取向槽和豎直突出脊平面形態(tài)樣式，以減小、轉(zhuǎn)向和/或阻擋向下游進入槽內(nèi)的(而不是從渦輪葉片翼面高壓側(cè)到低壓側(cè))葉片尖端氣流泄漏。平面形態(tài)樣式實施例是具有各異的前部上游(區(qū)A)和后部下游樣式(區(qū)B)的復(fù)合多槽/脊樣式。這些組合的區(qū)A和區(qū)B脊/槽陣列平面形態(tài)朝向下游燃燒流動F方向引導截留在槽內(nèi)部的氣體流，以阻止氣體流泄漏沿局部葉片泄漏方向L從渦輪葉片翼面的壓力側(cè)朝向翼面的抽吸側(cè)直接泄漏。前區(qū)大體上被限定在葉片翼面的前緣與截點處的弦線中心之間，在該截點處，平行于渦輪80的軸線的線大致與翼面的壓力側(cè)表面相切:翼面的總軸向長度的大致三分之一至二分之一。陣列樣式的其余部分包括后區(qū)B。后部下游區(qū)B的槽和脊在角度上取向為與葉片旋轉(zhuǎn)方向R相對。角度的范圍為相關(guān)聯(lián)的渦輪葉片92的弧形角或者后邊緣角的近似30%至120%。在一些實施例中，上游或者前區(qū)A的脊/槽陣列平面形態(tài)比下游或者后區(qū)B的脊/槽平面形態(tài)具有更大的耐磨表面面積，以便補償在發(fā)動機操作期間發(fā)生的更大的耐磨腐蝕。
[0018]在其它各種實施例中，耐磨部件由豎直突出的脊或者肋狀物構(gòu)造，該脊或者肋狀物具有第一下磨損區(qū)和第二上磨損區(qū)。脊的第一下區(qū)(接近耐磨表面)構(gòu)造為用平面形態(tài)陣列和突起來優(yōu)化發(fā)動機氣流特性，其中平面形態(tài)陣列和突起定制為減小、轉(zhuǎn)向和/或阻擋泄漏入脊之間的槽內(nèi)的葉片尖端氣流泄漏。脊的下區(qū)也被優(yōu)化以提高耐磨部件和表面的機械和熱結(jié)構(gòu)完整性、耐熱性、耐熱腐蝕性以及磨損壽命。脊的上區(qū)在下區(qū)的上方形成，并且被優(yōu)化以通過比下區(qū)更易磨耗來使葉片尖端間隙和磨損最小化。耐磨部件的各種實施例用具有比下區(qū)肋狀結(jié)構(gòu)更小的橫截面面積的上子脊或者尖頭更容易地實現(xiàn)上區(qū)的耐磨性。在一些實施例中，上子脊或者尖頭形成為在小幅的葉片尖端接觸的情況下彎曲或者以其它方式撓曲，并且在更大幅度的葉片尖端接觸的情況下磨損和/或剪斷。在其它實施例中，上區(qū)子脊或者尖頭被像素化(Pixelated)成上磨損區(qū)的陣列，使得僅與一個或多個葉片尖端局部接觸的那些尖頭被磨損，同時局部磨損區(qū)外部的其它尖頭則保持完好。盡管脊的上區(qū)部分被磨損，但其相比于先前已知的整體式脊引起更少的葉片尖端磨損。在本發(fā)明的實施例中，當上區(qū)脊部分被磨損時，其余下脊部分通過控制葉片尖端泄漏來保持發(fā)動機效率。在局部葉片尖端間隙被進一步減小的情況下，葉片尖端在該位置處磨去下脊部分。然而，該下脊部分局部磨損區(qū)域外部的相對更高的脊維持更小的葉片尖端間隙，以保持發(fā)動機性能效率。此外，多級磨損區(qū)輪廓允許單個渦輪發(fā)動機設(shè)計以標準模式或者“快速啟動”模式操作。當以快速啟動模式操作時，發(fā)動機將傾向于磨損上磨損區(qū)層，并且過度的葉片尖端磨損的可能性更小，同時保持下磨損區(qū)的空氣動力學功能。當相同的發(fā)動機以標準模式操作時，更有可能的是，耐磨的上磨損區(qū)和下磨損區(qū)均將針對有效的發(fā)動機操作而得到保持。在根據(jù)本發(fā)明的實施例構(gòu)造的耐磨部件中，可以采用兩個以上的分層磨損區(qū)(例如，上磨損區(qū)、中磨損區(qū)和下磨損區(qū))。
[0019]在一些發(fā)明實施例中，脊和槽的輪廓以及平面形態(tài)陣列耐磨表面面積可以局部地定制或者貫穿耐磨部件普遍地定制，諸如通過用選擇為減小葉片尖端泄漏的選定的取向角度和/或橫截面輪廓來形成多層槽。在一些實施例中，耐磨部件表面平面形態(tài)陣列以及脊和槽的輪廓提供改進的葉片尖端泄漏氣流控制，而且也促進了比已知耐磨部件更簡單的制造技術(shù)。
[0020]所提出的這些目的和其它目的中的一些在本發(fā)明的一個或多個實施例中通過渦輪耐磨部件來實現(xiàn)，該渦輪耐磨部件雜特征在于渦輪發(fā)動機環(huán)形節(jié)段耐磨部件，其適應(yīng)于以與旋轉(zhuǎn)渦輪葉片尖端周向掃掠路徑相對的取向聯(lián)接至渦輪殼體的內(nèi)部周邊。對應(yīng)葉片尖端具有旋轉(zhuǎn)方向、前緣、在表面切線大體上平行于對應(yīng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線的壓力側(cè)凹入表面上的弦線中心截點，以及后緣。該部件包括支撐表面，其適應(yīng)于聯(lián)接至圍繞渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線的渦輪殼體內(nèi)周邊。支撐表面具有上游端部和下游端部，以及適應(yīng)于與對應(yīng)的渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線平行取向的支撐表面軸線。耐磨基底聯(lián)接至支撐表面，其具有基底表面，該基底表面帶有由一對前和后線性節(jié)段部分限定的槽和豎直突出的脊的復(fù)合角平面形態(tài)樣式，該對前和后線性節(jié)段部分由過渡部分連結(jié)。每個前線性節(jié)段部分源于支撐表面上游端部附近，取向為相對于支撐表面軸線在正或負10度的角度的范圍內(nèi)。在一些實施例中，前線性節(jié)段部分大體上平行于支撐表面軸線。前線性節(jié)段部分終止在預(yù)期的渦輪葉片弦線中心截點的掃掠路徑的徑向和軸向突出位置上游的支撐表面端部之間。每個后線性節(jié)段部分源于渦輪葉片弦線中心截點的下游，且在角度上取向為與對應(yīng)的渦輪葉片旋轉(zhuǎn)方向相對，同時終止在支撐表面下游端部附近。前線性節(jié)段部分中的前脊具有比后線性節(jié)段部分中的后脊更大的表面面積密度。為了形成具有更大的前端部密度的耐磨表面，在一些實施例中，前脊比后脊更寬。在本發(fā)明的一些實施例中，過渡部段脊和槽限定彎曲的平面形態(tài)。在其它實施例中，脊具有相對于支撐表面傾斜的遠端突出尖端。
[0021 ]本發(fā)明的其它實施例涉及渦輪發(fā)動機，其特征在于渦輪外殼和轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有旋轉(zhuǎn)地安裝在渦輪外殼中的葉片，該葉片的遠端尖端沿葉片旋轉(zhuǎn)方向并且軸向地相對于渦輪外殼形成葉片尖端周向掃掠路徑。該葉片尖端具有前緣、在表面切線大體上平行于對應(yīng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線的壓力側(cè)凹入表面上的弦線中心截點，以及后緣。這種發(fā)明實施例的特征在于耐磨部件，該耐磨部件具有適應(yīng)于聯(lián)接至圍繞渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線的渦輪外殼內(nèi)周邊的支撐表面。支撐表面具有上游端部和下游端部，以及適應(yīng)于與渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線平行地取向的支撐表面軸線。在這些實施例中，耐磨基底聯(lián)接至支撐表面，其具有基底表面，該基底表面帶有由一對前和后線性節(jié)段部分限定的槽和豎直突出脊的復(fù)合角平面形態(tài)樣式，該對前和后線性節(jié)段部分由過渡部分連結(jié)。每個前線性節(jié)段部分源于支撐表面上游端部附近，且取向為相對于支撐表面軸線在正或負10度的角度的范圍內(nèi)，并且終止于預(yù)期的渦輪葉片弦線中心截點的掃掠路徑的徑向和軸向突出位置上游的支撐表面端部之間。每個后線性節(jié)段部分源于所述預(yù)期渦輪葉片弦線中心截點的下游，且在角度上取向為與對應(yīng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)方向相對，終止于支撐表面下游端部附近。前線性節(jié)段部分中的前脊具有比后線性節(jié)段部分中的后脊更大的表面面積密度。
[0022]本發(fā)明的相應(yīng)目的和特征可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員以任何組合或者子組合聯(lián)合地或者分別地應(yīng)用。
【附圖說明】
[0023]能夠通過結(jié)合附圖考慮以下詳細描述來容易地理解本發(fā)明的教導，附圖中:
圖1是示例性已知燃氣渦輪發(fā)動機的部分軸向橫截面視圖；
圖2是第一排(Row I)渦輪葉片和導葉的詳細橫截面立視圖，示出葉片尖端與圖1的渦輪發(fā)動機的耐磨部件之間的葉片尖端間隙G; 圖3是已知渦輪發(fā)動機的徑向橫截面示意圖，并且所有葉片與圍繞發(fā)動機耐磨表面的所有周向取向之間具有理想的均勻葉片尖端間隙G;
圖4是失圓的已知渦輪發(fā)動機的徑向橫截面示意圖，示出葉片尖端與耐磨表面在12:00最上部周向位置處和6:00最下部周向位置處接觸；
圖5是已經(jīng)在操作服務(wù)中的已知渦輪發(fā)動機的徑向橫截面示意圖，該已知渦輪發(fā)動機帶有比原始設(shè)計規(guī)格的葉片尖端間隙G更大的過大葉片尖端間隙Gw;
圖6是已知渦輪發(fā)動機的徑向橫截面示意圖，強調(diào)了更可能形成葉片尖端磨損的周向區(qū)和更不可能形成葉片尖端磨損的區(qū)；
圖7至圖9是用于渦輪發(fā)動機耐磨表面的已知脊和槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖；
圖10和圖11分別是沿圖7和圖9的線段C-C截取的、用于渦輪發(fā)動機耐磨表面的已知脊和槽樣式的橫截面立視圖；
圖12至圖17是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，并且?guī)в袦u輪葉片的示意重疊的渦輪發(fā)動機耐磨表面的“曲棍”配置脊和槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖；
圖18和圖19是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例并且渦輪葉片示意重疊的用于渦輪發(fā)動機耐磨表面的另一“曲棍”配置脊和槽樣式(包括與渦輪葉片旋轉(zhuǎn)方向?qū)R的豎直取向的脊或者肋狀物陣列)的平面視圖或者平面形態(tài)視圖；
圖20是針對以下兩種情況的從前緣至后緣的模擬葉片尖端泄漏質(zhì)量流量的比較圖表:圖12至圖17中所示的類型的相應(yīng)示例性連續(xù)槽曲棍耐磨表面輪廓，以及圖18和圖19中所示的類型的帶有中斷豎直脊曲棍耐磨表面輪廓的分裂槽；
圖21是根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，以及渦輪葉片示意重疊的用于耐磨表面的另一“曲棍”配置脊和槽樣式(具有交叉的脊和槽)的平面視圖或者平面形態(tài)圖，；
圖22是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的用于耐磨表面的另一“曲棍”配置脊和槽樣式(類似于圖18和圖19)的平面視圖或者平面形態(tài)視圖，該樣式包括豎直取向的脊陣列，該脊陣列沿渦輪發(fā)動機的軸向流動方向橫向地交錯穿過耐磨表面；
圖23是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的用于耐磨表面的“之字形”配置的脊和槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖，該樣式包括沿渦輪發(fā)動機的軸向流動方向穿過耐磨表面的水平取向的脊和槽陣列；
圖24是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的用于耐磨表面的“之字形”配置的脊和槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖，該樣式包括穿過耐磨表面的對角地取向的脊和槽陣列；
圖25是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的用于耐磨表面的“之字形”配置的脊和槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖，該樣式包括穿過耐磨表面的V形脊和槽陣列；
圖26至圖29是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例并且有渦輪葉片的示意重疊的渦輪發(fā)動機耐磨表面的嵌套回路配置的脊和槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖；
圖30至圖33是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例并且有渦輪葉片的示意重疊的渦輪發(fā)動機耐磨表面的迷宮或者螺旋配置的脊和槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖；
圖34和圖35是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例并且有渦輪葉片的示意重疊的用于渦輪發(fā)動機耐磨表面的帶有彎曲肋狀物過渡部段的復(fù)合角配置的脊和槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖； 圖36是針對以下三種情況的從前緣至后緣的模擬葉片尖端泄漏質(zhì)量流量的比較圖表:本發(fā)明的圖34和圖35的類型的相應(yīng)示例性帶有彎曲肋狀物過渡部段的復(fù)合角配置的脊和槽樣式、圖7中示出的類型的示例性已知對角脊和槽樣式，以及已知的軸向?qū)R的脊和槽樣式的耐磨表面的耐磨表面輪廓；
圖37是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于耐磨表面的多高度或者海拔脊輪廓配置和對應(yīng)槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖，其適合于在標準發(fā)動機模式或者“快速啟動”發(fā)動機模式中的任一模式中使用；
圖38是沿圖37的C-C截取的圖37的耐磨表面實施例的橫截面視圖；
圖39是根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖37和圖38的運動葉片尖端和耐磨表面實施例的示意立視橫截面視圖，示出了葉片尖端泄漏L和葉片尖端邊界層流動；
圖40和圖41是根據(jù)本發(fā)明的實施例的類似于圖39的示意立視橫截面視圖，示出了葉片尖端間隙G、槽和脊多高度或者海拔尺寸；
圖42是類似于圖11的已知耐磨表面的脊和槽輪廓的立視橫截面視圖；
圖43是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于耐磨表面的多高度或者海拔階梯式輪廓脊配置和對應(yīng)槽樣式的立視橫截面視圖；
圖44是用于本發(fā)明的耐磨表面的多高度或者海拔階梯式輪廓脊配置和對應(yīng)槽樣式的另一實施例的立視橫截面視圖；
圖45是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于耐磨表面的多深度槽輪廓配置和對應(yīng)脊樣式的立視橫截面視圖；
圖46是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于耐磨表面的不對稱輪廓脊配置和對應(yīng)槽樣式的立視橫截面視圖；
圖47是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于耐磨表面的不對稱輪廓脊配置和多深度平行槽輪廓樣式的透視圖；
圖48是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于耐磨表面的不對稱輪廓脊配置和多深度交叉槽輪廓樣式的透視圖，其中，上槽相對于脊尖端縱向地傾斜；
圖49是本發(fā)明的另一實施例的透視圖，關(guān)于用于耐磨表面的不對稱輪廓脊配置和多深度交叉槽輪廓樣式，其中，上槽垂直于脊尖端并且相對于脊尖端縱向地偏斜；
圖50是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的用于耐磨表面的在對稱輪廓脊中的多深度平行槽輪廓配置的橫截面視圖的立視橫截面視圖；
圖51和圖52是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于耐磨表面的在對稱輪廓脊中的多深度平行槽輪廓配置的相應(yīng)立視橫截面視圖，其中，上槽相對于脊尖端橫向地側(cè)斜；
圖53是根據(jù)本發(fā)明的實施例的耐磨表面的透視圖，其具有不對稱的非平行壁脊和多深度槽；
圖54至圖56是根據(jù)本發(fā)明的替代實施例的用于耐磨表面的在梯形輪廓脊中的多深度平行槽輪廓配置的相應(yīng)立視橫截面視圖，其中，上槽垂直于脊尖端，或者相對于脊尖端橫向地側(cè)斜；
圖57是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于耐磨表面的多級交叉槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖；
圖58是根據(jù)本發(fā)明的實施例的階梯式輪廓耐磨表面脊的透視圖，其中，上級脊具有從下脊臺突出的像素化直立尖頭陣列；
圖59是沿圖58的C-C截取的從下脊臺突出的一排像素化直立尖頭的立視圖；
圖60是根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖59的直立尖頭的替代實施例，其中，在接近尖頭尖端的尖頭部分由一層具有與該層下方的材料的物理性質(zhì)不同的物理性質(zhì)的材料構(gòu)造；
圖61是圖58的像素化上尖頭實施例的示意立視圖，其中，在葉片旋轉(zhuǎn)期間渦輪葉片尖端使尖頭偏轉(zhuǎn)；
圖62是圖58的像素化上尖頭實施例的示意立視圖，其中，在葉片旋轉(zhuǎn)期間，渦輪葉片尖端剪斷所有或者部分直立尖頭，保持下脊及其臺完好，并且由葉片尖端間隙與葉片尖端徑向地間隔分開；
圖63是圖58的像素化上尖頭實施例的示意立視圖，其中，在葉片旋轉(zhuǎn)期間，渦輪葉片尖端已經(jīng)剪斷所有直立尖頭，并且磨耗下脊部分的臺表面；
圖64是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的類似于圖34和圖35的用于渦輪發(fā)動機耐磨表面的帶有彎曲肋狀物過渡部段的復(fù)合角配置的脊和槽樣式的平面視圖或者平面形態(tài)視圖，并且有恒定的脊/槽間隔或者節(jié)距以及變化的脊寬度；
圖65是根據(jù)本發(fā)明的替代實施例的類似于圖54至圖56中的那些配置的用于耐磨表面的在梯形輪廓脊中的平行槽輪廓配置的立視橫截面視圖，沒有垂直于脊尖端或者相對于脊尖端橫向地側(cè)斜的上槽；
圖66至圖69是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于耐磨表面的不對稱輪廓脊配置和帶有傾斜的脊尖端面(一些還具有傾斜槽基部面)的對應(yīng)槽樣式的立視橫截面視圖；以及
圖70至圖71是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于耐磨表面的不對稱輪廓脊配置和對應(yīng)槽樣式的立視橫截面視圖，該不對稱輪廓脊配置具有多高度或者海拔、與葉片尖端旋轉(zhuǎn)方向相對地傾斜的反角側(cè)壁(一些還具有傾斜的槽基部面)，其適合于用在用于耐磨表面的標準發(fā)動機模式或者“快速啟動”發(fā)動機模式中的任一者。
[0024]為了促進理解，在可能的情況下，使用相同的附圖標記來指代附圖中共有的相同元件。附圖未按照比例繪制。貫穿本文中所描述的各種發(fā)明實施例已利用針對尺寸、橫截面、流體流、渦輪葉片旋轉(zhuǎn)、軸向取向或者徑向取向以及流體壓力的以下常用標識符:
A耐磨表面的前區(qū)或者上游區(qū)；
B耐磨表面的后區(qū)或者下游區(qū)；
C-C耐磨橫截面；
Dg耐磨槽深度；
F通過渦輪發(fā)動機的流動方向；
G渦輪葉片尖端至耐磨表面間隙；
Gw磨損的渦輪葉片尖端至耐磨表面間隙；
Hr耐磨脊高度；
L渦輪葉片尖端泄漏；
P耐磨表面平面視圖或者平面形態(tài)視圖；
Pp渦輪葉片更高壓力側(cè)；
Ps渦輪葉片更低壓力或者抽吸側(cè)；
R渦輪葉片旋轉(zhuǎn)方向； Ri渦輪發(fā)動機渦輪部段的第一排(Row I)；
R2渦輪發(fā)動機渦輪部段的第二排(Row 2)；
Sr耐磨脊中心線間隔，其也被稱為節(jié)距；
Wg耐磨槽寬度；
Wr耐磨脊寬度；
α相對于渦輪發(fā)動機軸向尺寸的耐磨槽平面形態(tài)角度； β相對于豎直或者垂直耐磨表面的耐磨脊側(cè)壁角度；
T相對于耐磨脊高度的耐磨槽首尾側(cè)斜角度；
A相對于耐磨脊縱向軸線的耐磨槽偏斜角度； ε相對于耐磨表面和/或脊表面的耐磨上槽側(cè)斜角度;以及 Φ耐磨槽弧形角度。
【具體實施方式】
[0025]本文所描述的發(fā)明的示例性實施例能夠容易地用在用于渦輪發(fā)動機(包括燃氣渦輪發(fā)動機)的耐磨部件中。在多個實施例中，渦輪殼體耐磨部件具有各異的前部上游和后部下游復(fù)合多取向槽和豎直突出的脊平面形態(tài)樣式，以減小、轉(zhuǎn)向和/或阻擋向下游泄漏到槽內(nèi)(而不是從渦輪葉片翼面高壓側(cè)到低壓側(cè))的葉片尖端氣流泄漏。平面形態(tài)樣式的實施例是具有各異的前部上游(區(qū)Α)和后部下游樣式(區(qū)B)的復(fù)合多槽/脊樣式。這些組合的區(qū)A和區(qū)B脊/槽陣列平面形態(tài)朝向下游燃燒流動F方向引導被截留在槽的內(nèi)部的氣體流，以便阻止沿局部葉片泄漏方向L從渦輪翼面的壓力側(cè)朝向翼面的抽吸側(cè)直接泄漏氣體流。前區(qū)大體上被限定在葉片翼面的前緣與截點處的弦線中心之間，在該截點處，平行于渦輪軸線的線大致與翼面的壓力側(cè)表面相切:大致為翼面的總軸向長度的三分之一至二分之一。陣列樣式的其余部分包括后區(qū)B。在一些實施例中，前部上游區(qū)A的槽和脊在相對于支撐表面軸線或者發(fā)動機內(nèi)的葉片旋轉(zhuǎn)軸線正或負10度的角度范圍內(nèi)取向。更具體地，一些實施例使前區(qū)A的槽和脊取向為平行于支撐表面/葉片旋轉(zhuǎn)軸線。后部下游區(qū)B的槽和脊在角度上取向為與葉片旋轉(zhuǎn)方向R相對。角度的范圍為相關(guān)聯(lián)的渦輪葉片92的弧形角或后邊緣角的近似30%至120%。在一些實施例中，對于在發(fā)動機操作期間在前區(qū)中耐磨件腐蝕的可能性更大但葉片尖端侵入的可能性更小的應(yīng)用，前區(qū)A的脊具有比后區(qū)中的脊更大的表面面積密度和更小的耐磨性。與此不同，在涂層腐蝕更無關(guān)緊要但在發(fā)動機操作期間葉片/耐磨涂層接觸的可能性更大的應(yīng)用中，更加期望的是后區(qū)B中具有比前區(qū)中更低的脊表面面積密度和更大的耐磨性。耐磨表面密度的變化的配置通過如下方式提供折衷:通過具有充足的耐磨材料以在前區(qū)A中維持期望的葉片尖端間隙，從而在進行的發(fā)動機操作期間補償該區(qū)中的耐磨表面腐蝕，還減小后區(qū)B中的表面密度，以便減小渦輪葉片尖端磨損的可能性。在一些應(yīng)用中，期望的是單獨地或者結(jié)合變化的脊/肋狀物表面面積密度來改變前區(qū)和后區(qū)中的部件耐磨材料的耐磨性性質(zhì)。
[0026]在本發(fā)明的各種實施例中，熱噴涂的或者附加地建立的耐磨部件的陶瓷/金屬耐磨層構(gòu)造有豎直突出的脊或者肋狀物，該脊或者肋狀物具有第一下磨損區(qū)和第二上磨損區(qū)。脊的第一下區(qū)(接近熱噴涂的耐磨表面)被構(gòu)造為用平面形態(tài)陣列和突起來優(yōu)化發(fā)動機氣流特性，其中平面陣列和突起被定制為減小、轉(zhuǎn)向和/或阻擋進入脊之間的槽內(nèi)的葉片尖端氣流泄漏。在一些實施例中，熱噴涂的耐磨層的上磨損區(qū)是下磨損區(qū)高度或者總脊高度的近似1/3至2/3。脊和槽按照多種對稱和不對稱橫截面輪廓和平面形態(tài)陣列構(gòu)造在熱噴涂的耐磨層中，以使葉片尖端泄漏流轉(zhuǎn)向和/或易于制造。在一些實施例中，槽寬度是脊寬度或者下脊寬度的近似1/3至2/3(如果存在多寬度堆疊的脊)。在各種實施例中，脊的下區(qū)也被優(yōu)化以提高耐磨部件和表面機械和熱結(jié)構(gòu)完整性、耐熱性、耐熱腐蝕性以及磨損壽命。脊的上區(qū)在下區(qū)的上方形成，并且被優(yōu)化以通過比下區(qū)更容易磨耗來使葉片尖端間隙和磨損最小化。熱噴涂的耐磨層耐磨部件的各種實施例用具有比下區(qū)肋狀物結(jié)構(gòu)更小的橫截面面積的上子脊或者尖頭(nib)來更容易地實現(xiàn)上區(qū)的耐磨性。在一些實施例中，上子脊或者尖頭形成為在小幅的葉片尖端接觸的情況下彎曲或者以其它方式撓曲，并且在更大幅度的葉片尖端接觸的情況下磨損和/或剪斷。在其它實施例中，上區(qū)子脊或者尖頭被像素化為上磨損區(qū)的陣列，使得僅與一個或多個葉片尖端局部接觸的那些尖頭被磨損，同時局部磨損區(qū)外部的那些尖頭保持完好。盡管脊的上區(qū)部分被磨去，但其引起的葉片尖端磨損小于先前已知的整體式脊所引起的磨損。在本發(fā)明的實施例中，當上區(qū)脊部分被磨去時，其余下脊部分通過控制葉片尖端泄漏保持發(fā)動機效率。在局部葉片尖端間隙被進一步減小的情況下，葉片尖端在該位置處磨去下脊部分。然而，該下脊部分局部磨損區(qū)域外部的相對高的脊維持更小的葉片尖端間隙，以保持發(fā)動機性能效率。在根據(jù)本發(fā)明的實施例構(gòu)造的耐磨部件中可以采用兩個以上的分層磨損區(qū)(例如，上磨損區(qū)、中磨損區(qū)和下磨損區(qū))。
[0027]在一些發(fā)明實施例中，熱噴涂的或者附加地建立的耐磨層中的脊和槽的輪廓以及平面形態(tài)陣列通過用選擇為使葉片尖端泄漏減小和改變脊橫截面的選定的取向角度和/或橫截面輪廓來形成多層槽，從而局部地定制或者貫穿耐磨部件普遍地定制。在一些實施例中，耐磨部件表面平面形態(tài)陣列以及脊和槽的輪廓提供改進的葉片尖端泄漏氣流控制，而且也促進比已知耐磨部件更為簡單的制造技術(shù)。
[0028]在一些實施例中，耐磨部件及其耐磨表面由金屬支撐層上的多層熱噴涂的或者附加地建立的組成已知的陶瓷材料構(gòu)造，且呈已知的層樣式/尺寸。在一些實施例中，通過已知的附加工藝將脊構(gòu)造在耐磨表面上，其中所述已知的附加工藝熱噴涂熔融顆粒(不使用掩模(mask)或者通過掩模)、層打印(例如，3D打印、燒結(jié)、電子或者激光束沉積)或者以其它方式將陶瓷或者金屬/陶瓷材料施加至金屬基底(帶有或者不帶有下層附加支撐結(jié)構(gòu))。槽限定在鄰近地添加的脊結(jié)構(gòu)之間的空位中。在其它實施例中，通過使用已知工藝(例如，機械加工、研磨、噴水或者激光切割或者其任意組合)從熱噴涂的基底磨耗或者以其它方式移除材料來構(gòu)造槽，并且槽壁限定分開的脊。本文所描述的實施例可以采用添加的脊和/或移除材料的槽的組合。用適應(yīng)于聯(lián)接至渦輪發(fā)動機殼體的已知支撐結(jié)構(gòu)和已知耐磨表面材料組成(諸如，粘接涂層基部、熱涂層以及一層或多層抗熱/耐熱頂部涂層)構(gòu)造耐磨部件。例如，上磨損區(qū)能夠由熱噴涂的或者附加地建立的耐磨材料構(gòu)造，其中耐磨材料具有與緊接著其下方的另一熱噴涂層或者其它相繼層不同的組成和物理性質(zhì)。
[0029]盡管本文未具體地詳細描述本發(fā)明的實施例和特征的每一種可能的組合，但是能夠組合本文所描述的各種熱噴涂的金屬支撐層耐磨部件的脊和槽輪廓以及槽和脊的陣列以滿足不同渦輪應(yīng)用的性能需求。
[0030]耐磨表面平面形態(tài)圖12至圖37以及圖57中示出了示例性發(fā)明實施例的耐磨表面脊和槽平面形態(tài)樣式。與遍及整個耐磨表面均一致的已知耐磨平面形態(tài)樣式不同，許多本發(fā)明的平面形態(tài)樣式的實施例是具有各異的前部上游(區(qū)A)和后部下游樣式(區(qū)B)的復(fù)合多槽/脊樣式。這些組合的區(qū)A和區(qū)B脊/槽陣列平面形態(tài)朝向下游燃燒流動F方向引導截獲在槽的內(nèi)部的氣體流，以阻止沿局部葉片泄漏方向L從渦輪翼面的壓力側(cè)朝向翼面的抽吸側(cè)直接泄漏氣體流。前區(qū)大體上限定在葉片92翼面的前緣與截點處的弦線中心之間，在該截點處，平行于渦輪80軸線的線大致與翼面的壓力側(cè)表面相切。從更加粗略的概括的視角來看，前區(qū)A的軸向長度還可以被限定為大體上是翼面的總軸向長度的大致三分之一至二分之一。陣列樣式的其余部分包括后區(qū)B。根據(jù)本發(fā)明的實施例能夠構(gòu)造兩個以上的軸向取向的平面形態(tài)陣列。例如，能夠在耐磨部件表面上構(gòu)造前、中以及后脊/槽陣列平面形態(tài)。
[0031]圖12至圖19、圖21、圖22、圖34至圖35、圖37和圖57中示出的實施例具有曲棍狀平面形態(tài)樣式。前部上游區(qū)A的槽和脊大體上與渦輪80(見圖1)內(nèi)的燃燒氣體軸向流動方向F平行(+/-10%)對齊。后部下游區(qū)B的槽和脊在角度上取向為與葉片旋轉(zhuǎn)方向R相對。角度的范圍為相關(guān)聯(lián)的渦輪葉片92的弧形角或后邊緣角的近似30%至120%。為了設(shè)計方便，下游角度選擇能夠被選擇為與以下任何一個角度相匹配:渦輪葉片高壓或低壓平均(線性平均線)側(cè)壁表面角或者弧形角(例如，見圖14的高壓側(cè)上的角度αΒ2，其中高壓側(cè)始于區(qū)B處的開始表面并且止于葉片后緣處)、后緣角(例如，見圖15的角度αΒ1)、使前緣與后緣之間的連接相匹配的角度(例如，見圖14的角度αΒ1)或者在這種葉片幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)建的角(諸如αΒ3)之間的任何角度。曲棍狀脊和槽陣列平面形態(tài)樣式與純粹水平的或者對角的已知平面形態(tài)陣列樣式一樣相對容易形成在耐磨表面上，但在流體流動模擬中，曲棍狀樣式具有比這些已知的單向平面形態(tài)樣式中的任一者都更小的葉片尖端泄漏。曲棍狀樣式通過已知的切割/磨耗或者附加層建立方法形成，這些已知方法先前已被用于形成已知的耐磨部件脊和槽樣式。
[0032]在圖12中，耐磨部件160具有前脊/脊尖端162Α/164Α以及槽168Α，該前脊/脊尖端162Α/164Α以及槽168Α取向為相對于軸向渦輪軸向流動方向F成+/-10度內(nèi)的角度αΑ，該軸向渦輪軸向流動方向F對應(yīng)于渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線或者耐磨部件支撐軸線。后脊/脊尖端162Β/164Β以及槽168Β取向為成近似渦輪葉片92的后緣角的角度αΒ。如圖12中示意性地示出的，前脊162Α阻擋前區(qū)A的葉片泄漏方向并且后脊162Β阻擋后區(qū)B的葉片泄漏L。水平間隔部脊169周期性地取向為軸向地穿過整個葉片92的占用空間并且圍繞耐磨部件表面167的周邊，以便阻擋和中斷葉片尖端泄漏L，但與已知設(shè)計的平坦連續(xù)表面不同，耐磨表面使可以引起葉片尖端接觸和磨損的潛在表面面積減小。
[0033]圖13的耐磨部件170的實施例類似于圖12的耐磨部件實施例，并且前部分的脊172Α/174Α以及槽178Α取向為大體上平行于渦輪燃燒氣體流動方向F，同時后脊172Β/174Β以及槽178Β取向為成近似等于形成在始于區(qū)B的渦輪葉片92的壓力側(cè)到葉片后緣之間的角度的角度αΒ。如圖12的實施例那樣，水平間隔部脊179周期性地取向為軸向地穿過整個葉片92的占用空間并且圍繞耐磨部件表面167的周邊，以便阻擋和中斷葉片尖端泄漏L。
[0034]圖14的耐磨部件180的實施例類似于圖12和圖13的實施例，并且前部分脊182Α/184Α以及槽188Α取向為大體上平行于渦輪燃燒氣體流動方向F，同時后脊182Β/184Β以及槽188Β選擇性地以角度αΒ1至角度αΒ3中的任何角度取向。角度αΒ1是形成在葉片92的前緣與后緣之間的角度。如圖13中那樣，角度αΒ2近似平行于與后區(qū)B成相對關(guān)系的渦輪葉片92的高壓側(cè)壁的部分。如圖14中所示，后脊182Β/184Β以及槽188Β實際上以角度αΒ3取向，該角度αΒ3是角度αΒ2的大致50%。與圖12的實施例一樣，水平間隔部脊189周期性地取向為軸向地穿過整個葉片92的占用空間并且圍繞耐磨部件表面187的周邊，以便阻擋和中斷葉片尖端泄漏L。
[0035]在圖15的耐磨部件190的實施例中，前脊192Α/194Α和槽198Α以及角度αΑ類似于圖14的前脊和槽以及角度，但后脊192Β/194Β以及槽198Β具有比圖14更窄的間隔和寬度。圖15中所示的后脊192Β/194Β以及槽198Β的替代角度αΒ1與渦輪葉片92的后緣角相匹配，如圖12中的角度αΒ那樣。實際角度αΒ2近似平行于與后區(qū)B成相對關(guān)系的渦輪葉片92的高壓側(cè)壁的部分，如圖13中那樣。替代角度αΒ3和水平間隔部脊199與圖14的角度和水平間隔部脊相匹配，盡管也能夠利用其它角度或者間隔部脊的陣列。
[0036]圖16和圖17中示出了替代間隔部脊樣式。在圖16的實施例中，耐磨部件200包含全長間隔部脊209以及附加前間隔部脊209Α的陣列，其中全長間隔部脊209跨越渦輪葉片92的整個軸向占用空間，附加前間隔部脊209Α插在全長脊之間。附加前間隔部脊209Α在接近前緣的葉片92的部分中提供葉片尖端泄漏的附加的阻擋。圖17的實施例中，耐磨部件210具有全長間隔部脊219以及前間隔部脊219Α和后間隔部脊219Β的周向交錯陣列的樣式。當葉片92掃掠耐磨部件210的表面時，周向交錯的脊219Α/Β提供葉片尖端泄漏的周期性阻擋或者中斷，而貫穿掃掠動作沒有可能引起過早葉片尖端磨損的持續(xù)接觸的可能性。
[0037]盡管先前已經(jīng)討論了水平間隔部脊的陣列，但本發(fā)明的其它實施例包括豎直間隔部脊。更具體地，圖18和圖19的耐磨部件220的實施例包含前脊222Α，該前脊222Α之間是槽228Α。這些槽由交錯的前豎直脊223Α截斷，其中該交錯的前豎直脊223Α與前脊222Α相互連接。如圖18中所示，交錯的前豎直脊223Α形成一系列從左至右向下傾斜的對角陣列。全長豎直間隔部脊229取向在前區(qū)A與后區(qū)B之間的過渡區(qū)T中。后脊222Β和槽228Β成角度地取向，從而使帶有前脊222Α和槽228Α的曲棍狀平面形態(tài)陣列完整。交錯的后豎直脊223Β類似于前豎直脊223Α那樣排列。豎直脊223Α/Β和229中斷從前部分至后部分穿過耐磨部件220的槽的大體上軸向的氣流泄漏，否則大體上軸向的氣流泄漏將在圖12至圖17的不間斷全長槽實施例的情況中發(fā)生，但潛在缺陷在于，在與其中一個豎直脊接觸的每個潛在摩擦接觸位置處的葉片尖端磨損增加。作為折衷，交錯的豎直脊223Α/Β周期性地中斷通過槽228Α/Β的軸向氣流，而不引入針對渦輪葉片尖端的潛在360度摩擦表面。連續(xù)豎直脊229的潛在360度摩擦表面接觸能夠通過以下方式減小:縮短相對于脊222Α/Β或者223Α/Β的該脊的豎直高度，但仍在前槽228Α與后槽228Β之間的過渡區(qū)T中提供一些軸向流動中斷能力。
[0038]圖20示出帶有連續(xù)槽的曲棍狀脊/槽樣式陣列平面形態(tài)(實線)與由交錯豎直脊中斷的分裂槽(虛線)的模擬流體流對比。分裂槽陣列樣式的總?cè)~片尖端泄漏質(zhì)量流量(相應(yīng)線下方的面積)低于連續(xù)槽陣列樣式。
[0039]中斷槽中的氣流的交錯脊不必須沿葉片旋轉(zhuǎn)方向R豎直地對齊。如圖21中所示，耐磨部件230具有由脊233Α/Β(αΑ、αΒ)的成角度的樣式截斷的相應(yīng)前脊和后脊232Α/Β和槽238Α/Β的樣式，其中脊233Α/Β連接在前脊和后脊的連續(xù)排之間并且周期性地阻擋槽238Α/Β內(nèi)的下游流動。與圖18的實施例一樣，耐磨部件230具有位于前區(qū)A與后區(qū)B之間的過渡部處的連續(xù)豎直對齊的脊239。脊232Α和233Α/Β的交叉成角度陣列有效地阻擋局部葉片尖端泄漏L從前緣至后緣沿渦輪葉片軸向長度從高壓側(cè)96泄漏至低壓側(cè)98。
[0040]應(yīng)注意，圖12至圖19和圖21中所示的間隔部脊169、179、189、199、209、219、229、239等實施例可以在相同的耐磨部件陣列中具有不同的相對高度，并在部件內(nèi)可以不同于一個或多個其它脊陣列的高度。例如，如果間隔部脊高度小于耐磨表面中的其它脊的高度，則其可能永遠不與葉片尖端接觸，但仍能夠用于中斷沿相鄰截斷槽的氣流。
[0041]圖22是曲棍狀平面形態(tài)樣式耐磨部件240的替代實施例，該替代實施例結(jié)合了各異的前區(qū)A和后區(qū)B的相應(yīng)脊242A/B和槽248A/B樣式的實施例構(gòu)思，相應(yīng)脊和槽在過渡部T處交叉而沒有任何豎直脊使區(qū)彼此分開。因此，槽248A/B形成從耐磨部件240的前緣或者前部緣至其最下游后緣(見流動方向F箭頭)的連續(xù)復(fù)合槽，其由對應(yīng)渦輪葉片的軸向掃掠覆蓋。交錯豎直脊243A/B截斷通過每個槽的軸向流動，而沒有在一個軸向位置處在耐磨表面與對應(yīng)旋轉(zhuǎn)葉片(沿旋轉(zhuǎn)箭頭R的方向)之間的潛在持續(xù)磨耗接觸。然而，連續(xù)直線槽248A/B的相對長的延續(xù)僅僅由小豎直脊243A/B周期性地截斷，這提供通過噴水腐蝕或者其它已知制造技術(shù)制造的容易性。耐磨部件240的實施例提供了氣流性能、葉片尖端磨損以及制造容易性/成本之間的良好主觀設(shè)計折衷。
[0042]圖23至圖25示出了包括之字形樣式的耐磨部件脊和槽平面形態(tài)陣列的實施例。之字形樣式通過以下方式形成:通過將一層或多層材料添加在耐磨表面基底上以形成脊，或者通過諸如由已知激光或者噴水切削方法在基底內(nèi)形成槽。在圖23中，耐磨部件250的基底表面257具有形成于其中的連續(xù)槽258，始于258’并且止于258’ ’，其限定交替的指狀交插脊252的樣式。在耐磨部件中也可以形成其它槽和脊之字形樣式。如圖24的實施例中所示，耐磨部件260具有形成在基底表面267中的連續(xù)樣式對角取向槽268，該槽268始于268’并且止于268’’，保留成角度地取向的脊262。在圖25中，耐磨部件實施例270具有V形或者曲棍狀雙區(qū)多槽樣式，該樣式由基底表面277中的一對槽278A和278B形成。槽278始于278 ’并且止于278’ ’。為了使整個基底表面277上的V形或者曲棍狀樣式完整，第二槽278A形成于耐磨部件270的底部左手側(cè)部分，其始于278A’并且止于278A’’。相應(yīng)的葉片尖端泄漏L流動引導前脊272A和后脊272B形成于耐磨表面277的相應(yīng)前區(qū)和后區(qū)中，如圖12至圖19、圖21和圖22的耐磨實施例那樣做的一樣。槽258、268、278或者278A不必須形成為連續(xù)的，并且可以包括像圖18和圖19的實施例的脊223A/B那樣的阻擋脊，以便抑制氣體流動通過槽的整個軸向長度。
[0043]圖26至圖29示出包括嵌套回路樣式的耐磨部件脊和槽平面形態(tài)陣列的實施例。嵌套回路樣式通過以下方式形成:通過將一層或多層材料添加在耐磨表面基底上以形成脊，或者通過諸如由已知激光或者噴水切削方法在基底內(nèi)形成槽。圖26的耐磨部件280實施例具有由水平取向的間隔部脊289分隔開的豎直取向的嵌套回路樣式281的陣列。每個回路樣式281具有嵌套槽288A至288E以及對應(yīng)的互補脊，該對應(yīng)互補脊包括中央脊282A、回路脊282B至282E。在圖27中，耐磨部件280’包括前區(qū)A中的嵌套回路281A和后區(qū)B中的嵌套回路281B。嵌套回路281A和281B由間隔部脊水平地289和豎直地289A分隔開。在圖28的耐磨實施例280’ ’中，嵌套回路281’ ’的水平部分以角度α取向。在圖29的耐磨實施例280’ ’’中，大體上水平或者軸向的嵌套的回路281Α’ ’ ’和281Β’ ’’在單獨的前區(qū)A和后區(qū)B陣列中以相應(yīng)角度αΑ和αΒ排列。可以改變首尾角度和回路尺寸以使每個區(qū)中的葉片尖端泄漏最小化。
[0044]圖30至圖33示出了包括類似于嵌套回路樣式的螺旋迷宮樣式的耐磨部件脊和槽平面形態(tài)陣列的實施例。通過將一層或多層材料添加在耐磨表面基底上以形成脊來形成迷宮樣式。替代性地，如在這些相關(guān)圖中所示，通過諸如由已知激光或者噴水切削方法在基底內(nèi)形成槽來創(chuàng)建迷宮樣式。圖30的耐磨部件290的實施例具有豎直取向的嵌套迷宮樣式291的陣列，每個嵌套迷宮樣式始于291Α并且止于291Β，且豎直取向的嵌套迷宮樣式291由水平取向的間隔部脊299分隔開。在圖31中，耐磨部件290’包括前區(qū)A中的嵌套迷宮291A和后區(qū)B中的嵌套迷宮291B的樣式。嵌套迷宮291A和291B由間隔部脊既水平地299，也豎直地293，分隔開。在圖32的耐磨實施例290’，中，嵌套迷宮291，，的水平部分以角度α取向。在圖33的耐磨實施例290’ ’ ’中，迷宮291Α’ ’ ’和291Β’ ’ ’的大體上水平的部分在單獨的前區(qū)A和后區(qū)B陣列中以相應(yīng)角度αΑ和αΒ排列，同時大體上豎直的部分與葉片旋轉(zhuǎn)掃掠對齊?？梢愿淖兪孜步嵌圈力『挺力⒑兔詫m尺寸以使每個區(qū)中的葉片尖端泄漏最小化。
[0045]圖34和圖35涉及耐磨部件300的實施例，該耐磨部件300實施例帶有在相應(yīng)前區(qū)A和后區(qū)B中的單獨且各異的多陣列脊302Α/302Β和槽308Α/308Β樣式，該多陣列脊302Α/302Β和槽308Α/308Β樣式在過渡區(qū)T中由對應(yīng)的彎曲脊302Τ和槽308Τ連結(jié)。在該示例性實施例樣式中，槽308Α/Β/Τ在耐磨部件300的表面內(nèi)形成為閉合回路，圍繞對應(yīng)肋狀物302Α/Β/Τ。肋狀物間間隔SRA、SRB和Srt以及對應(yīng)槽間隔可以穿過部件表面軸向地和豎直地改變，以便使局部葉片尖端泄漏最小化或者補償不同的局部耐磨表面腐蝕率，這種不同的局部耐磨表面腐蝕率導致不對稱的脊表面面積密度。
[0046]在圖64的替代性實施例中，通過局部地更改脊寬度Wr使耐磨部件1300的局部耐磨表面面積密度變化，耐磨部件1300在前區(qū)A中具有比在后區(qū)B中的脊1302B更寬的脊1302A，從而創(chuàng)建不對稱的前區(qū)A/后區(qū)B表面面積平面形態(tài)樣式。前脊1302A具有比后脊1302B更大的表面面積密度(和/或采用帶有更低耐磨性性質(zhì)的耐磨材料)，以便補償在發(fā)動機操作期間前區(qū)中的更大的脊腐蝕，同時減小后區(qū)中的葉片尖端磨損，其中在發(fā)動機操作期間，局部脊腐蝕的可能性更小，但葉片尖端/基底表面接觸的可能性更大。在圖64的耐磨部件1300實施例中，脊的連續(xù)排具有恒定的脊間或者肋狀物間間隔或者節(jié)距SRA、SRB和SRT。因此，過渡部段脊1302T的寬度從連結(jié)起來的前脊1302A的對應(yīng)寬度至連結(jié)起來的后脊1302B的對應(yīng)寬度局部地變窄。為了維持恒定的脊1302的節(jié)距，于是相應(yīng)槽部段1308A/T/B中的槽1308的寬度穿過部件1300從首至尾變得更寬。如圖所示的部件1300構(gòu)造有耐磨部件1300的表面內(nèi)的閉合回路，該閉合回路圍繞對應(yīng)肋狀物1302A/B/T，類似于圖34和圖35中所示的部件300的那些閉合回路。如將在本文中更加詳細地描述的，局部葉片尖端泄漏以及與對應(yīng)葉片尖端肋狀物接觸的耐磨表面密度還通過以下方式改變:通過在耐磨表面脊尖端(例如，見圖52至圖57)、像素化脊尖端(例如，見圖58)中包含子肋狀物或者子槽，和/或通過使葉片尖端表面相對于旋轉(zhuǎn)葉片尖端傾斜(例如，見圖66至圖69 )。
[0047]圖36示出耐磨部件中的相當深度脊和槽輪廓的對比流體動態(tài)模擬。實線表示圖34、圖35和圖64的類型的耐磨部件中的葉片尖端泄漏。短劃線表示僅具有軸向或者水平取向的脊和槽的現(xiàn)有技術(shù)類型的耐磨部件表面。點線表示僅帶有與對應(yīng)渦輪葉片92的后緣角對齊的對角取向的脊和槽的類似于圖7的現(xiàn)有技術(shù)耐磨部件。耐磨部件300和1300具有比已知現(xiàn)有技術(shù)類型的單向耐磨表面脊和槽樣式中的任意一者的泄漏更少的葉片尖端泄漏。
[0048]耐磨表面脊和槽橫截面輪廓
圖37至圖41、圖43至圖63以及圖65至圖71示出示例性發(fā)明實施例耐磨表面脊和槽橫截面輪廓。與遍及整個耐磨表面具有一致的高度的已知耐磨橫截面輪廓樣式不同，形成于熱噴涂的耐磨層中的許多本發(fā)明的橫截面輪廓包括復(fù)合多高度/深度脊和槽樣式，其具有各異的上磨損區(qū)(區(qū)I)和下磨損區(qū)(區(qū)Π)。下區(qū)II優(yōu)化發(fā)動機氣流和結(jié)構(gòu)特性，同時上區(qū)I通過比下區(qū)更易磨耗而使葉片尖端間隙和磨損最小化。耐磨部件的各種實施例用具有比下區(qū)肋狀物結(jié)構(gòu)更小的橫截面面積的上子脊或者尖頭來更容易地實現(xiàn)上區(qū)的耐磨性。在一些實施例中，上子脊或者尖頭形成為在小幅的葉片尖端接觸的情況下彎曲或者以其它方式撓曲，并且在更大幅度的葉片尖端接觸的情況下磨損和/或剪斷。在其它實施例中，上區(qū)子脊或者尖頭被像素化為上磨損區(qū)的陣列，使得僅與一個或多個葉片尖端局部接觸的那些尖頭被磨損，同時局部磨損區(qū)外部的那些尖頭保持完好。盡管脊的上區(qū)部分被磨損，但其比先前已知的整體式脊引起的葉片尖端磨損更小，并且實現(xiàn)比CMC/FGI耐磨部件構(gòu)造更大的輪廓形成靈活性，其中CMC/FGI耐磨部件構(gòu)造需要圍繞復(fù)合中空陶瓷球基質(zhì)取向和直徑的物理約束形成輪廓。在本發(fā)明的實施例中，當上區(qū)脊部分被磨損時，其余下脊部分通過控制葉片尖端泄漏來保持發(fā)動機效率。在局部葉片尖端間隙被進一步減小的情況下，葉片尖端在該位置處磨去下脊部分。然而，該下脊部分局部磨損區(qū)域外部的相對更高的脊維持更小的葉片尖端間隙，以保持發(fā)動機性能效率。
[0049]在該漸進式磨損區(qū)的情況中，本發(fā)明的葉片尖端間隙G的一些實施例的構(gòu)造能夠從先前可接受的已知尺寸減小。例如，如果已知可接受的葉片間隙G的設(shè)計規(guī)格為I mm，則磨損區(qū)I中的更高脊的高度能夠增加，使得葉片尖端間隙減小至0.5 mm。建立磨損區(qū)II的邊界的更低的脊的高度設(shè)定為使得其遠端尖端部分與葉片尖端間隔分開I mm。按照這種方式，建立收緊50%的葉片尖端間隙G以便常規(guī)渦輪操作，并且接受由葉片與區(qū)I中的上脊的接觸所引起的一些潛在磨損。只有在葉片尖端侵入下區(qū)內(nèi)時，才會在區(qū)II中發(fā)起持續(xù)的局部漸進葉片磨損，但在任何情況下，I mm的葉片尖端間隙G均不會比已知葉片尖端間隙規(guī)格更糟糕。在一些示例性實施例中，上區(qū)I的高度是下區(qū)II的高度的近似1/3至2/3。
[0050]圖37至圖41的耐磨部件310具有交替高度的彎曲脊312A和312B，其從耐磨表面317向上突出并且在結(jié)構(gòu)上由支撐表面311支撐。槽318將交替高度的脊312A/B分隔開并且由脊偵_315六作和316A/B限定。磨損區(qū)I被建立為從更高的脊312A的相應(yīng)尖端314A向下到達更低的脊312B的相應(yīng)尖端314B。磨損區(qū)II被建立為從尖端314B向下到達基底表面317。在渦輪發(fā)動機操作條件下(圖39和圖40)，葉片間隙G被維持在更高的脊尖端312A與葉片尖端94之間。當維持葉片間隙G時，葉片泄漏L沿葉片92的旋轉(zhuǎn)方向(箭頭R)從葉片96的更高壓力側(cè)(在壓力Pp下)行進至葉片98的低壓力或者抽吸壓力側(cè)(在壓力Ps下)。葉片尖端94下的葉片泄漏L部分地被截留在一對相對的更高脊312A與中間更低的脊312B之間，從而形成阻擋旋渦樣式，該阻擋旋渦樣式進一步阻止葉片泄漏。如果由于渦輪殼體100變形、快速發(fā)動機啟動模式或者其它原因使得葉片尖端間隙G對于任意一個或多個葉片變小，則葉片尖端94與耐磨部件310之間的初始接觸將發(fā)生在更高脊尖端314A處。雖然葉片尖端94仍在區(qū)I中，但其僅與交替交錯更高脊312A相摩擦。如果葉片間隙G逐漸變得更小，則更高脊312A將被磨耗直到其在整個區(qū)I中被磨損并且開始在區(qū)II中與更低脊尖端314B接觸。一旦在區(qū)II中，渦輪葉片尖端94就在局部磨損區(qū)處摩擦所有其余的脊314A/B，但在其它局部渦輪殼體部分中，葉片尖端間隙G可能不存在減小并且上脊312A可以處于其全長下且保持完好。因此，耐磨部件310的交替高度肋狀物構(gòu)造適應(yīng)區(qū)I和區(qū)II內(nèi)的局部磨損，而且在不存在渦輪殼體100或者葉片92變形的那些局部區(qū)域中保持葉片尖端間隙G和對葉片尖端泄漏L的空氣動力控制。當標準發(fā)動機操作模式或快速啟動發(fā)動機操作模式中的任一者或者兩者均是期望的時，更高脊312A形成空隙的初級層(帶有最小的葉片尖端間隙G)，從而為通常利用低增速或者不執(zhí)行熱啟動的機器提供最佳能量效率空隙?？傮w地，更低脊尖端314B的脊高度Hrb在更高脊尖端314A的高度Hra的25%至75%之間。在圖41中所示的實施例中，連續(xù)更高脊312A之間的中心線間隔Sra等于連續(xù)更低脊312B之間的中心線間隔SRB。也能夠采用多高度脊(包括兩個以上的脊高度)的其它中心線間隔和樣式。
[0051 ]帶有上磨損區(qū)和下磨損區(qū)的脊和槽輪廓的其它實施例包括圖43和圖44的階梯式脊輪廓，其與圖42中的現(xiàn)有技術(shù)耐磨部件150的已知單個高度脊結(jié)構(gòu)形成比較。已知單個高度脊耐磨件150包括:聯(lián)接至渦輪殼體100的基部支撐部151、基底表面157以及對稱脊152，其中對稱脊152具有終止于平坦脊尖端154中的向內(nèi)傾斜的側(cè)壁155和156。脊尖端154具有共同高度并且與相對的、間隔分開的葉片尖端94建立葉片尖端間隙G。槽158建立在脊152之間。針對具體應(yīng)用選擇脊間隔Sr、槽寬度Wg和脊寬度WR。相比而言，圖43和圖44的階梯式脊輪廓在脊結(jié)構(gòu)上采用兩個各異的上磨損區(qū)和下磨損區(qū)。
[0052]圖43的耐磨部件320具有支撐表面321和耐磨表面327，該耐磨表面327上排列有各異的雙層脊:下脊322B和上脊322A。下脊322B具有止于高度Hrb的臺324B中的一對側(cè)壁325B和326B。上脊322A形成在臺324B上且從臺324B突出，并具有止于高度Hra和寬度Wr的遠端脊尖端324A中的側(cè)壁325A和326A。脊尖端324A與相對的間隔分開的葉片尖端94建立葉片尖端間隙G。磨損區(qū)II從耐磨表面327豎直延伸至臺324B，并且磨損區(qū)I從臺324B豎直延伸至脊尖端324A。圖43的兩個最右側(cè)脊322A/B具有不對稱輪廓，該不對稱輪廓帶有合并的共同側(cè)壁326A/B，同時相對的側(cè)壁325A和325B彼此橫向地偏移并且由寬度Wp的臺324B分隔開。槽328限定在脊322A/B之間。最左側(cè)脊322A7B’具有對稱輪廓。下脊322B’具有終止于臺324B’中的一對匯聚的側(cè)壁325B’和326B’。上脊322A’在臺324B’上居中，保持相對于上脊側(cè)壁325A’和326A’具有相等寬度偏移Wp，。上脊尖端324A’具有寬度WR’。脊間隔Sr和槽寬度Wg被選擇為提供期望的葉片尖端泄漏氣流控制。在本文所描述的耐磨部件、脊和槽輪廓的一些示例性實施例中，槽寬度Wg是下脊寬度的近似1/3至2/3。盡管圖43中所示的脊和槽對稱地間隔分布，但也可以選擇其它間隔輪廓，包括形成階梯式磨損區(qū)I和II的不同脊橫截面輪廓。
[0053]圖44示出帶有脊332A/B的另一階梯式輪廓耐磨部件330，該脊332A/B具有豎直取向的平行側(cè)壁335A/B和336A/B。下脊終止于脊臺334B中，上脊332A取向在該臺334B中并且止于脊尖端334A中。在一些應(yīng)用中，可以期望的是采用限定具有銳利轉(zhuǎn)角的輪廓的豎直取向的側(cè)壁以及平坦尖端/臺，以便在葉片尖端間隙中控制氣流。上磨損區(qū)I在脊尖端334A與脊臺334B之間并且下磨損區(qū)在臺與耐磨表面337之間。與圖43的耐磨實施例320—樣，盡管圖44中所示的脊和槽對稱地間隔分布，但也可以選擇其它間隔輪廓，包括形成階梯式磨損區(qū)I和II的不同脊橫截面輪廓。
[0054]在階梯式脊構(gòu)造耐磨部件的其它排列組合或者種類中，如在圖45中所示的耐磨340輪廓中所采用的那樣，也可以通過采用多個槽深度、槽寬度和脊寬度來形成單獨的上磨損區(qū)I和下磨損區(qū)II。下肋狀物342B具有肋狀物臺344B，其與耐磨表面347結(jié)合共同限定磨損區(qū)II。該肋狀物臺344B支撐一對相對的橫向側(cè)接的上肋狀物342A，其終止于共同高度的肋狀物尖端344A中。磨損區(qū)I被限定在肋狀物尖端344A與臺344B之間。形成耐磨部件340輪廓的一種便捷方式是以相應(yīng)深度Dca和Dcb在平坦表面的耐磨基底內(nèi)切削出雙深度槽348A和348B。脊間隔Sr、槽寬度Wga/β以及脊尖端344A的寬度Wr被選擇為提供期望的葉片尖端泄漏氣流控制。盡管圖45中所示的脊和槽對稱地間隔分布，但也可以選擇其它間隔輪廓，包括形成階梯式磨損區(qū)I和II的不同脊橫截面輪廓。
[0055]如圖46中所示，在某些渦輪應(yīng)用中，可以期望的是通過采用具有不對稱輪廓的耐磨脊352的耐磨部件350的實施例來控制葉片尖端泄漏，其中不對稱輪廓的耐磨脊352帶有豎直取向的邊緣銳利的上游側(cè)壁356和傾斜的相對的下游側(cè)壁355，該下游側(cè)壁355從基底表面357延伸并且終止于脊尖端354中。葉片泄漏L最初由豎直側(cè)壁356對抗。然而一些泄漏氣流L在從葉片的高壓葉片側(cè)96流向更低壓力的抽吸葉片側(cè)98時還被壓縮在脊尖端354與相對的葉片尖端94之間。該泄漏流動沿循向下傾斜的脊壁355，在該處，由下一個下游脊的豎直側(cè)壁356使泄漏流動轉(zhuǎn)向為與葉片旋轉(zhuǎn)方向R相對。現(xiàn)在逆向流動的泄漏空氣L與沿葉片旋轉(zhuǎn)方向R進一步到來的泄漏氣流L對抗。圖46中所示的尺寸參考與先前描述的圖的參考描述一致。盡管圖46的耐磨部件實施例350未采用其它先前描述的耐磨部件輪廓的漸進式磨損區(qū)I和II，但這種區(qū)可以合并在其它下文描述的不對稱輪廓肋狀物實施例中。
[0056]通過在肋狀物內(nèi)切削槽，使得側(cè)接切削出的槽的其余直立肋狀物材料具有比其余下層肋狀物更小的水平橫截面面積，能夠?qū)u進式磨損區(qū)結(jié)合在不對稱肋狀物或者任何其它肋狀物輪廓中。槽取向和輪廓也可以被定制為通過減小不期望的葉片尖端泄漏來提高渦輪發(fā)動機的氣流特性，這在本文中將隨后描述的圖47的實施例中示出。以此方式，由于葉片尖端僅與更易磨耗的上磨損區(qū)I的部分接觸，因此熱噴涂的耐磨部件表面構(gòu)造為帶有提高的氣流特性和減小的潛在葉片尖端磨損兩者。下磨損區(qū)II保持在槽深度下方的下肋狀物結(jié)構(gòu)中。現(xiàn)在描述用于形成漸進式磨損區(qū)的耐磨部件脊和槽輪廓的其它示例性實施例。這些附加實施例中與先前描述的實施例共有的結(jié)構(gòu)特征和部件尺寸參考用類似系列的附圖標記和符號來識別，并且不再進一步詳細描述。
[0057]圖47示出耐磨部件360，其具有圖46的耐磨部件350的肋狀物截面輪廓，但包括雙級槽368A和368B，槽368A形成于脊尖端364中，槽368B形成在脊362與基底表面367之間。上槽368A形成包括磨損區(qū)I的更淺深度Dg的橫向脊，同時在該槽深度下方的脊362的其余部分包括下磨損區(qū)II。在該耐磨部件實施例360中，上槽368A取向為平行于脊362的縱軸線并且垂直于脊尖端364表面，但也可以采用其它槽取向、輪廓和深度以優(yōu)化氣流控制和/或使葉片尖端磨損最小化。
[0058]在圖48的耐磨部件370的實施例中，多個上槽378A相對于脊尖端374以角度γ、深度Dga首尾側(cè)斜，并且具有平行的槽側(cè)壁。上磨損區(qū)I建立在槽378Α的底部與脊尖端374之間，并且下磨損區(qū)II在上磨損區(qū)下方向下到達基底表面377。在圖49的替代實施例中，耐磨部件380具有帶有矩形輪廓的上槽388Α，該矩形輪廓相對于脊382的縱軸線及其側(cè)壁385/386以角度A偏斜。如圖所示的上槽388Α還垂直于脊尖端384的表面。上磨損區(qū)I在槽深度Dga上方，并且磨損區(qū)II在槽深度下方向下到達基底表面387。為了簡潔起見，用與先前描述的耐磨表面輪廓的實施例相同的慣例來標注圖48和圖49中的結(jié)構(gòu)特征和尺寸的其余部分，并且該其余部分具有與先前描述相同的功能、目的和關(guān)系。
[0059]如圖50至圖52中所示，上槽不必須具有平行側(cè)壁并且可以相對于脊尖端表面以不同角度取向。此外，上槽可以用在具有不同的橫截面輪廓的脊中。耐磨部件的實施例390、400和410的脊具有匯聚在脊尖端中的對稱側(cè)壁。如在具有雙高度槽的先前描述的實施例中那樣，相應(yīng)的上磨損區(qū)I是從脊尖端至槽深度Dg的底部，并且下磨損區(qū)II是從槽底部至基底表面。在圖50中，上槽398Α垂直于基底表面(ε =90° )并且槽側(cè)壁以角度Φ叉開。在圖51中，槽408Α相對于基底表面以角度+ε側(cè)斜，并且在圖52中槽418Α相對于基底表面以角度-ε側(cè)斜。在耐磨部件實施例400和410兩者中，上槽側(cè)壁以角度Φ叉開。為了簡潔起見，用與先前描述的耐磨表面輪廓的實施例相同的慣例來標注圖50至圖52中的結(jié)構(gòu)特征和尺寸的其余部分，并且該其余部分具有與先前描述相同的功能、目的和關(guān)系。
[0060]圖53至圖56示出的耐磨脊實施例具有梯形橫截面輪廓和帶有呈各種取向的上槽的脊尖端，以便選擇性地控制氣流，同時還具有選擇性的上磨損區(qū)和下磨損區(qū)。在圖53中，耐磨部件430的實施例具有由下槽438Β分隔開的帶有不對稱橫截面輪廓的脊432的陣列。每個脊432具有第一側(cè)壁435和第二側(cè)壁436，其中第一側(cè)壁435以角度扮傾斜，第二側(cè)壁436以角度傾斜。每個脊432具有上槽438Α，該上槽438Α平行于脊縱軸線并且垂直于脊尖端434。上槽438Α的深度限定上磨損區(qū)I的下限，并且脊432的其余高度限定下磨損區(qū)II。
[0061 ]在圖54至圖56中，相應(yīng)脊422、442和452的橫截面是帶有以角度β取向的平行側(cè)壁425/445/455和426/446/456的梯形。右側(cè)壁426/446/456取向為與葉片旋轉(zhuǎn)方向相對地側(cè)傾，使得截留在兩個鄰近的脊之間的中間下槽428Β/448Β/458Β內(nèi)的空氣也被轉(zhuǎn)向為與葉片旋轉(zhuǎn)方向相對，從而與從渦輪葉片的上游高壓側(cè)96至渦輪葉片的低壓抽吸側(cè)98的葉片尖端泄漏方向相對，如在圖46的不對稱耐磨輪廓350中所示出和描述的那樣。相應(yīng)上槽428Α/448Α/458Α的取向和輪廓也被更改以引導氣流泄漏和形成上磨損區(qū)I。槽輪廓在從不帶有偏離的平行側(cè)壁至角度Φ的負偏離或者正偏離的范圍中被選擇性地更改，具有變化的深度Dg，并且成相對于脊尖端表面的變化的角度取向ε。在圖54中，上槽428Α取向為垂直于脊尖端424的表面(ε=90° )。在圖55和圖56中，相應(yīng)上槽448Α和458Α相對于其對應(yīng)脊尖端表面成角度+/_ε。
[0062]圖57示出耐磨部件460的平面形態(tài)，其包含多級槽和上/下磨損區(qū)，并且前A和后B脊462Α/462Β由下槽468Α/Β分隔開，該下槽468Α/Β以相應(yīng)角度αΑ/B取向。圖49的實施例中所示的類型的首尾上部分深度槽463Α/Β的陣列形成于脊462Α/Β的相應(yīng)陣列中，并且取向為以相應(yīng)角度βΑ/Β橫貫脊和全深度槽468Α/Β。上部分深度槽463Α/Β限定耐磨部件460的上磨損區(qū)I的豎直邊界，并且這些部分深度上槽下方的脊的其余部分限定下磨損區(qū)的豎直邊界。
[0063]在熱噴涂的耐磨部件構(gòu)造的情況中，上磨損區(qū)I的熱噴涂的耐磨材料的橫截面和高度能夠配置為通過以下方式來符合不同程度的葉片尖端侵入:通過在脊的頂部上限定微型肋狀物或者尖頭的陣列(如圖58中所示)，而沒有關(guān)于在CMC/FGI耐磨部件構(gòu)造中圍繞中空陶瓷球形成槽的上述幾何限制，并且設(shè)計受益于使用金屬耐磨部件支撐結(jié)構(gòu)。耐磨部件470包括先前描述的金屬支撐表面471，并且下槽和脊的陣列形成下磨損區(qū)II。具體地，下脊472B具有終止于脊臺474B中的側(cè)壁475B和476B。下槽478B由脊側(cè)壁475B和476B以及基底表面477限定。微型肋狀物或者尖頭472A通過已知附加工藝或者通過在下脊472B內(nèi)形成交叉槽478A和478C的陣列而在下脊臺474B上形成，而沒有否則將在CMC/FGI耐磨部件設(shè)計中被強加的任何中空球完整性保持幾何約束。在圖58的實施例中，尖頭472A具有方形或者其它矩形橫截面，其由終止于共同高度的脊尖端474A中的直立側(cè)壁475A、475C、476A和476C限定。也能夠利用其它尖頭472A的橫截面平面形態(tài)形狀，例如包括梯形或者六邊形橫截面。還能夠利用包括不同局部橫截面和高度的尖頭陣列。
[0064]在圖60的替代實施例中，直立像素化尖頭472A’的遠端肋狀物尖端474A’由熱噴涂的材料480構(gòu)造，該熱噴涂的材料480具有與下熱噴涂的材料482不同的物理性質(zhì)和/或組成。例如，上遠端材料480能夠構(gòu)造為具有比下材料482更容易或者更不容易磨耗的磨耗性質(zhì)(例如，更軟或者更多孔、或者這兩者)。以此方式，葉片尖端間隙G能夠設(shè)計為比先前已知耐磨部件中所使用的間隙更小，以減小葉片尖端泄漏，使得進入材料480內(nèi)的任何局部葉片侵入均更不可能使葉片尖端磨損，即使這種接觸變得更加可能也是這樣。以此方式，渦輪發(fā)動機能夠設(shè)計為具有更小的葉片尖端間隙，從而增加其操作效率，以及其在標準啟動模式或者快速啟動啟動模式中操作的能力，同時不顯著地影響葉片磨損。
[0065]圖58和圖59中標記出了尖頭472A和槽478A/C尺寸邊界，與在現(xiàn)有實施例中所描述的那些一致?？傮w地，尖頭472A高度Hra的范圍為從葉片尖端間隙G的近似20%至100%，或者為從下脊472B和尖頭472A的總脊高度的近似1/3至2/3。尖頭472A的橫截面是從尖頭高度Hra的近似20%至50%。尖頭材料構(gòu)造和表面密度(由中心線間隔Sra/β和槽寬度Wga量化)被選擇為使耐磨部件470的耐磨性、耐熱性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和氣流特性平衡。例如，在受控的密度熱噴涂陶瓷耐磨件中產(chǎn)生的多個小寬度尖頭472A為熱氣體提供高泄漏保護。這些能夠僅僅處在高入侵傾向區(qū)域處或者處在整個發(fā)動機組中。建議的是，如果需要額外的密封，則經(jīng)由增加維持其低強度的多個脊并且不通過增加脊的寬度來完成該操作。通常的尖頭中心線間隔Sra/b或者尖頭472A的結(jié)構(gòu)和陣列樣式密度選擇使得像素化尖頭能夠在不同模式中響應(yīng)于葉片尖端94入侵的不同深度，如圖61至圖63中所示。
[0066]在圖61中，不存在葉片尖端間隙G或者實際上存在負葉片尖端間隙G，這是因為渦輪葉片尖端94與像素化尖頭472A的脊尖端474A接觸。葉片尖端94接觸入侵使像素化尖頭472A撓曲。在圖62中，葉片尖端更深地入侵至耐磨部件470內(nèi)，引起尖頭472A磨損、破裂或者剪斷下肋狀物臺474B，保留殘留的葉片尖端間隙在其間。以此方式，存在葉片尖端與殘留斷裂尖頭殘根472A(如果有)的最小接觸，同時磨損區(qū)II中的下脊472B維持葉片尖端泄漏的氣流控制。在圖63中，葉片尖端94已經(jīng)入侵到磨損區(qū)II中的下肋狀物472B的下脊臺474B內(nèi)。返回發(fā)動機能夠以標準模式或者快速啟動模式中的任一者啟動的發(fā)動機的示例，在替代實施例中，尖頭472A能夠以交替高度Hra樣式排列:針對標準啟動優(yōu)化更高高度的尖頭和針對快速啟動優(yōu)化更低高度的尖頭。在快速啟動模式中，交替尖頭472A的更高尖頭破裂，留下交替尖頭中的更低尖頭以便維持葉片尖端間隙G。具有脆性肋狀物或者尖頭的示例性熱噴涂的耐磨部件具有大于一的高度Hra與寬度Wra之比。通常，在脊或者尖頭的頂點處測量的寬度Wra將為0.5 mm至2 mm，并且其高度Hra由發(fā)動機侵入需要所確定，并且維持大于I的高度與寬度之比(Hra/Wra)。建議的是，在需要額外密封的情況下，經(jīng)由增加多個脊或者尖頭(S卩，窄寬度尖頭或者脊的更大分布密度，從而維持其低強度)并且不通過增加其寬度Wra來完成該操作。對于需要低速耐磨系統(tǒng)的發(fā)動機中的區(qū)，脊或者尖頭的寬度與槽寬度之比(WRA/WCA)優(yōu)選地小于I。對于通常不需要葉片尖端輕易磨耗性的發(fā)動機耐磨部件表面區(qū)或者區(qū)域，針對空氣動力學密封能力(例如，小葉片尖端間隙G)和最小化的葉片尖端泄漏優(yōu)選地通過應(yīng)用本發(fā)明的表面平面形態(tài)和橫截面輪廓實施例(并且脊/尖頭與槽寬度之比大于I)使耐磨表面橫截面輪廓最大化。
[0067]多種模式的進入周向耐磨表面內(nèi)的葉片深度入侵可以出現(xiàn)在任何渦輪發(fā)動機中不同位置處。因此，任何局部周向位置處的耐磨表面構(gòu)造都可以被選擇性地改變以補償葉片入侵的可能程度。例如，返回參照圖3至圖6中的燃氣渦輪發(fā)動機80的典型的已知周向磨損區(qū)樣式，3:00位置和6:00位置處的葉片尖端間隙G可以比12:00周向位置和9:00周向位置處的那些磨損樣式更小。預(yù)見到12:00位置和6:00位置處的更大磨損，因此能夠選擇下脊高度Hrb以建立最糟狀況的最小葉片尖端間隙G，并且能夠選擇像素化的或者其它上磨損區(qū)I脊結(jié)構(gòu)高度Hra、橫截面寬度和尖頭間隔密度以在圍繞渦輪殼體的其它周向位置(在該處可能引起葉片尖端94侵入耐磨表面層內(nèi)的耐磨部件和殼體變形的可能性更小或者最小)中建立小“最佳狀況”葉片尖端間隙G。以圖62的脆性脊472A為例，在惡劣的發(fā)動機操作條件期間(例如，當發(fā)動機處于快速啟動啟動模式時)，葉片94沖擊脆性脊472A或者472A’一該脊在高載荷下破裂，從而僅在沖擊區(qū)處增加空隙一從而在非最佳耐磨條件下限制葉片尖端磨損。總體地，耐磨部件中的上磨損區(qū)I的脊高度能夠被選擇為使得理想葉片尖端間隙為0.25111111。3:00和9:00渦輪殼體周向磨損區(qū)(例如，圖6的124和128)可能貫穿整個發(fā)動機操作周期都維持期望的0.25 _葉片尖端間隙，但在其它周向位置處渦輪殼體/耐磨部件變形的可能性更大?？梢赃x擇下脊高度以在1.0 mm的理想葉片尖端間隙下設(shè)定其脊尖端，使得在更高的磨損區(qū)中，葉片尖端僅磨損到磨損區(qū)I中的更深處并且永不接觸設(shè)定下磨損區(qū)II的邊界的下脊尖端。如果盡管做出最佳計算，但葉片尖端仍繼續(xù)磨損進入磨損區(qū)II內(nèi)，則所得的葉片尖端磨損操作條件也不比先前已知的耐磨層構(gòu)造的情況更糟糕。然而，在圍繞耐磨層的局部周向位置的其余部分中，渦輪發(fā)動機成功地在更低的葉片尖端間隙G并且因此在更高的操作效率下操作，并且葉片尖端上僅有很少或沒有不利地增加的磨損。
[0068]傾斜角表面脊或者槽樣式
圖65至圖71的耐磨部件實施例采用帶有傾斜側(cè)壁、脊尖端或者槽基部表面中的一者或多者的脊或者槽樣式，以便葉片尖端氣流泄漏控制。這些實施例(其包括傾斜脊尖端)還促進葉片尖端磨損減小，這是因為與帶有平坦脊尖端的實施例相比，它們具有的與葉片尖端接觸的潛在耐磨表面面積更少。本文已經(jīng)描述的各種實施例已經(jīng)采用帶有漸進式磨損區(qū)的平坦脊尖端，以便使葉片尖端磨損減小和葉片尖端泄漏控制配置(profile)?；貞浀綀D39的耐磨部件310的實施例采用了雙高度脊312A/312B，以便減小磨損和控制葉片尖端泄漏流L。與此不同，圖46的耐磨部件350采用了帶有豎直側(cè)壁356和傾斜側(cè)壁355的錐形肋狀物/脊352的輪廓，當豎直地朝向槽基部357磨耗其時，其暴露更多的表面面積。由相對的豎直側(cè)壁356和傾斜側(cè)壁355限定的槽358在槽通道357中生成逆向流L，以減小尖端泄漏流。
[0069]在圖65的實施例中，耐磨部件1310具有突出脊1312，該突出脊1312帶有類似于圖46的實施例的脊尖端的平坦脊尖端1314。然而，側(cè)壁1315/1316兩者均與葉片92的旋轉(zhuǎn)方向R相對地傾斜或者傾倒。脊1312的上游側(cè)上的傾斜側(cè)壁1316(8卩，面向流L)引發(fā)逆向流并且為泄漏流形成了更長的蜿蜒的或者迷宮狀流動路徑。該逆向流和更長的流動路徑有效地減小了泄漏L流動速率。此外，與平坦脊尖端1314接合的傾斜下游側(cè)壁1315使氣流體積在脊尖端與葉片尖端94之間的間隙限制下游膨脹。槽中的增加的體積為氣流L形成膨脹區(qū)，該膨脹區(qū)引發(fā)沿該側(cè)壁與槽基部或者基床1317的接合部的渦流狀氣流1^。氣流1^對抗葉片尖端泄漏L流動，同時使總流動路徑距離增加。逆向流的阻力和增加的氣流距離有效地幫助降低氣流泄漏L流動速率。
[0070]相應(yīng)的圖66至圖69的相應(yīng)耐磨件實施例1320、1330、1340和1350將傾斜的脊尖端1324、1334、1344和1354添加至相應(yīng)的耐磨脊1322、1332、1342和1352，從而引起沿葉片尖端94的旋轉(zhuǎn)方向R穿過脊尖端的寬度變化的葉片尖端間隙。關(guān)注圖66，與圖65的脊尖端1314相比，傾斜的脊尖端或者肋狀物尖端1324有效地減小了對應(yīng)耐磨表面的潛在葉片尖端94接觸表面面積。脊尖端1314與葉片尖端94的初始局部接觸(如果有)僅僅沿尖端的最右側(cè)上游邊緣在其與側(cè)壁1326的接合部處，并且隨著局部耐磨尖端/葉片尖端間隙縮窄，接觸表面面積擴大。因此，如果期望，則傾斜脊尖端表面1324有效地提供漸進式耐磨磨損區(qū)，而不需要制造階梯式的、多級的、有子槽的或者像素化的耐磨部件脊輪廓。當泄漏氣流L通向限制更小的流動空間時，傾斜脊尖端1324有利地在擴大的間隙中、在最窄的間隙限制下游的氣流膨脹區(qū)中引發(fā)額外的渦流狀氣流L2。額外的氣流區(qū)域1^2在側(cè)壁1325與槽基部1327的接合部處對渦流狀氣流區(qū)域L1進行補充。氣流區(qū)域LjPL2結(jié)合引發(fā)更大的累積逆向流，消耗尖端泄漏流能量，并且為泄漏流形成甚至更長的蜿蜒的或者迷宮狀流動路徑。圖67的耐磨部件1330實施例在槽1338中添加傾斜槽基部1337，與槽1328輪廓的平坦槽基部1327相比，這進一步形成更大的泄漏氣流L膨脹空間。傾斜槽基部1337還引導泄漏氣流L遠離葉片尖端間隙，直到使其在下一個上游脊側(cè)壁1326的接合部處急劇地轉(zhuǎn)向。在圖68和圖69的相應(yīng)耐磨部件實施例1340和1350中，相應(yīng)脊尖端1344和1354沿圖66和圖67的脊尖端的相對方向傾斜。在這些實施例的每一個中，隨著葉片尖端間隙沿葉片旋轉(zhuǎn)方向R縮窄，泄漏氣流L受到約束，然后一旦離開下游側(cè)壁1345/1355接合部就迅速膨脹，從而引發(fā)前述渦流狀氣流L1。耐磨部件1320、1330、1340和1350的其它結(jié)構(gòu)特征用與圖65的部件1310的附圖標記慣例類似的附圖標記慣例來標注。
[0071]相應(yīng)圖70和圖71的耐磨部件1360和1370采用帶有脊側(cè)壁和階梯式脊尖端的脊和槽橫截面輪廓，其中脊側(cè)壁與葉片旋轉(zhuǎn)方向R/氣流泄漏方向L相對地傾斜，并且耐磨部件1360和1370結(jié)合了帶有相應(yīng)圖66至圖69的實施例1320、1330、1340和1350的改進的氣流泄漏L控制的先前描述的實施例的上脊磨損區(qū)I和下脊磨損區(qū)II。耐磨部件1360具有基部基底1361，其支撐階梯式耐磨脊1362A/B和槽基部1367。階梯式脊下部分1362B形成下磨損區(qū)II，同時上部分1362A形成上磨損區(qū)I，從而當通過與旋轉(zhuǎn)葉片92的尖端94摩擦接觸而在局部區(qū)域中磨去肋狀物時，提供不同的耐磨性表面面積。肋狀物上游側(cè)壁限定屈折的復(fù)合角輪廓，并且最下側(cè)部分1366B沿葉片旋轉(zhuǎn)方向R傾斜，同時最上側(cè)部分1366A與葉片旋轉(zhuǎn)方向相對地傾斜。這種屈折角度逆轉(zhuǎn)引發(fā)氣流泄漏流L的逆向流再循環(huán)，同時沿側(cè)壁部分1364A階梯式肋狀物尖端1364A至1364B引起渦流流動區(qū)1^2中的氣流膨脹。如先前所描述的，渦流流動區(qū)1^2對抗下游泄漏氣流L并且增加下游泄漏氣流L的蜿蜒的或者迷宮狀有效流動路徑。流動膨脹體積從在下側(cè)壁1365B和槽基部1367的接合部附近的區(qū)域中體積的進一步增加引發(fā)先前描述的渦流流動區(qū)U。在實施例1370中，與圖70的槽1368的輪廓的平坦槽基部1367相比，槽1378中的傾斜槽基部1377進一步形成更大的泄漏氣流L膨脹空間。傾斜的槽基部1377還引導泄漏氣流L遠離葉片尖端間隙，直到使其在下一個上游脊屈折角側(cè)壁1376B/1376A的接合處急劇地轉(zhuǎn)向。雖然未示出，但可以通過使相應(yīng)脊尖端1364A/1364B或者1374A/1374B中的任一者或者兩者傾斜來在耐磨部件1360或者1370中的任一者中進一步選擇性地修改葉片/耐磨間隙氣流泄漏L和耐磨表面面積。
[0072]各種實施例的優(yōu)點
本文已經(jīng)描述了渦輪耐磨部件的不同實施例。許多實施例具有各異的前和后平面形態(tài)脊和槽陣列，以便遍及旋轉(zhuǎn)渦輪葉片的軸向跨度控制局部葉片尖端泄漏和其它氣流。許多實施例的脊和槽樣式和陣列均用易于制造的直線段構(gòu)造，有時帶有前區(qū)和后區(qū)之間的彎曲過渡部分。許多實施例在脊結(jié)構(gòu)上建立漸進式豎直磨損區(qū)，使得所建立的上區(qū)比下磨損區(qū)更容易磨耗。相對更易磨耗的上區(qū)使葉片尖端磨損的風險減小，而且建立并保持期望的小葉片尖端間隙。下磨損區(qū)關(guān)注氣流控制、熱磨損以及相對更低的熱磨耗。在許多實施例中，局部氣流控制以及多個豎直磨損區(qū)兩者均合并在耐磨部件內(nèi)。
[0073]盡管本文已經(jīng)詳細示出和描述了包含本發(fā)明的教導的各種實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地想出仍包含這些教導的許多其它不同的實施例。
[0074]本發(fā)明的應(yīng)用不限于示例性實施例的在說明書中陳述或者在附圖中圖示的構(gòu)造和部件的布置的細節(jié)。本發(fā)明能夠具有其它實施例并且能夠以各種方式實踐或者執(zhí)行。例如，各種脊和槽輪廓可以結(jié)合在不同的平面形態(tài)陣列中，不同平面形態(tài)陣列也可以在具體發(fā)動機應(yīng)用的周邊周圍局部地發(fā)生變化。此外，應(yīng)理解的是，本文所使用的措辭和術(shù)語是出于描述的目的并且不應(yīng)被視為是限制性的。本文中使用“包含”、“包括”、或者“具有”及其變型意味著涵蓋其后列出的物品及其等同物以及附加物品。除非另外地具體指出或者限制，否則術(shù)語“安裝”、“連接”、“支撐”和“聯(lián)接”及其變型是被廣義地使用的，并且涵蓋直接和間接的安裝、連接、支撐和聯(lián)接。進一步地，“連接”和“聯(lián)接”不限于物理或者機械連接或者聯(lián)接。
【主權(quán)項】
1.一種渦輪發(fā)動機環(huán)形節(jié)段耐磨部件，其適應(yīng)于以與旋轉(zhuǎn)渦輪葉片尖端周向掃掠路徑相對的取向聯(lián)接至渦輪殼體的內(nèi)部周邊，所述葉片尖端具有旋轉(zhuǎn)方向、前緣、在表面切線大體上平行于對應(yīng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線處的所述葉片尖端的壓力側(cè)凹入表面上的弦線中心截點以及后緣，所述部件包括: 支撐表面，所述支撐表面適應(yīng)于聯(lián)接至圍繞渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線的渦輪殼體內(nèi)周邊，所述支撐表面具有上游端部和下游端部，以及適應(yīng)于與對應(yīng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線平行地取向的支撐表面軸線； 聯(lián)接至所述支撐表面的耐磨基底，所述耐磨基底具有基底表面，所述基底表面帶有通過由過渡部分連結(jié)的一對前線性節(jié)段部分和后線性節(jié)段部分限定的槽和豎直突出的脊的復(fù)合角平面形態(tài)樣式； 每個前線性節(jié)段部分源于所述支撐表面上游端部附近，在相對于所述支撐表面軸線正或者負10度的角度范圍內(nèi)取向，并且終止于預(yù)期渦輪葉片弦線中心截點的掃掠路徑的徑向和軸向突出位置的上游的所述支撐表面端部之間； 每個后線性節(jié)段部分源于所述預(yù)期渦輪葉片弦線中心截點的下游，在角度上取向為與對應(yīng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)方向相對，并且終止于所述支撐表面下游端部附近；以及 所述前線性節(jié)段部分中的前脊具有比所述后線性節(jié)段部分中的后脊更大的表面面積FtFt也/又。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，還包括比后脊更寬的前脊，以便形成所述前脊的更大的表面密度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的部件，還包括在過渡部段中從前至后縮窄的脊寬度，以便使對應(yīng)的連結(jié)起來的前脊和后脊的寬度的相應(yīng)寬度相匹配。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的部件，還包括在所述過渡部段中限定彎曲的平面形態(tài)的脊和槽。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的部件，至少部分脊具有相對于所述支撐表面傾斜的遠端突出尖立而O6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的部件，所述脊和槽包括連續(xù)的之字形槽樣式。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的部件，所述脊和槽具有恒定的間隔節(jié)距。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，所述脊和槽具有恒定的間隔節(jié)距。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，所述脊和槽包括連續(xù)的之字形槽樣式。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，每個前節(jié)段部分取向為平行于所述支撐表面軸線。11.一種渦輪發(fā)動機，包括: 渦輪外殼； 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有旋轉(zhuǎn)地安裝在所述渦輪外殼中的葉片，所述葉片的遠端尖端沿所述葉片旋轉(zhuǎn)方向并且相對于所述渦輪外殼軸向地形成葉片尖端周向掃掠路徑，所述葉片尖端具有前緣、在表面切線大體上平行于對應(yīng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線的所述葉片尖端的壓力側(cè)凹入表面上的弦線中心截點以及后緣； 以及 耐磨部件，其具有: 支撐表面，所述支撐表面適應(yīng)于聯(lián)接至圍繞渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線的渦輪殼體內(nèi)周邊，所述支撐表面具有上游端部和下游端部，以及適應(yīng)于與所述渦輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線平行地取向的支撐表面軸線； 聯(lián)接至所述支撐表面的耐磨基底，所述耐磨基底具有基底表面，所述基底表面帶有通過由過渡部分連結(jié)的一對前線性節(jié)段部分和后線性節(jié)段部分限定的槽和豎直突出的脊的復(fù)合角平面形態(tài)樣式； 每個前線性節(jié)段部分源于所述支撐表面上游端部附近，在相對于所述支撐表面軸線正或者負10度的范圍或角度內(nèi)取向，并且終止于預(yù)期渦輪葉片弦線中心截點的掃掠路徑的徑向和軸向突出位置上游的所述支撐表面端部之間； 每個后線性節(jié)段部分源于所述預(yù)期渦輪葉片弦線中心截點的下游，在角度上取向為與對應(yīng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)方向相對，并且終止于所述支撐表面下游端部附近；以及 所述前線性節(jié)段部分中的前脊具有比所述后線性節(jié)段部分中的后脊更大的表面面積FtFt也/又。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機，所述部件還包括比后脊更寬的前脊，以便形成所述前脊的更大的表面密度。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，所述部件還包括在過渡部段中從前至后縮窄的脊寬度，以便使對應(yīng)的連結(jié)起來的前脊和后脊的寬度的相應(yīng)寬度相匹配。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的發(fā)動機，所述部件還包括在所述過渡部段中限定彎曲平面形態(tài)的脊和槽。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，所述部件還包括具有相對于所述支撐表面傾斜的遠端突出尖端的至少部分脊。16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，所述部件還包括形成連續(xù)的之字形槽樣式的所述脊和槽。17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)動機，所述部件還包括具有恒定的間隔節(jié)距的所述脊和槽。18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)動機，所述部件還包括取向為平行于所述支撐表面軸線的每個前節(jié)段部分。
【文檔編號】F01D11/12GK106030045SQ201580010564
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月18日
【發(fā)明人】李經(jīng)邦, 譚國汶, G.S.阿扎德, 高志宏, E.約翰遜, E.施勒德, N.F.小馬丁
【申請人】西門子公司